docVědecká rada - 10.6. 2008_různé
download 
Stížnost Transkript
Vědecká rada - 10.6. 2008_různé
jní sto lta Dlouhodobé základní směry výzkumu pracovišť FST Fa ku (verze – 28.5.2008) Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 1 Obsah Obsah...................................................................................................................................... 2 Úvod ........................................................................................................................................... 5 Východiska................................................................................................................................. 5 Katedra technologie obrábění................................................................................................. 9 Katedra konstruování strojů ................................................................................................. 10 Katedra energetických strojů................................................................................................ 11 Katedra materiálu a strojírenské metalurgie......................................................................... 12 Katedra průmyslového inženýrství a managementu ............................................................ 13 VC TT .................................................................................................................................. 14 VC KV.................................................................................................................................. 15 Dlouhodobé základní směry výzkumu na KTO ....................................................................... 16 Charakteristika ..................................................................................................................... 16 Vymezení ......................................................................................................................... 18 Důvody ............................................................................................................................. 21 Očekávané výsledky - vize................................................................................................... 23 Dlouhodobá perspektiva /vize (10 až 15 let).................................................................... 24 Analýza SWOT .................................................................................................................... 24 Silné stránky..................................................................................................................... 24 Slabé stránky .................................................................................................................... 25 Příležitosti......................................................................................................................... 25 Ohrožení ........................................................................................................................... 26 Stav v zahraničí a v ČR ........................................................................................................ 26 Předpoklady.......................................................................................................................... 27 Připravenost...................................................................................................................... 27 Užití.................................................................................................................................. 28 Dopady ............................................................................................................................. 28 Návrhy opatření.................................................................................................................... 28 Dlouhodobé základní směry výzkumu na KKS ....................................................................... 30 Charakteristika ..................................................................................................................... 30 Vymezení ......................................................................................................................... 30 Důvody ............................................................................................................................. 33 Očekávané výsledky - vize.................................................................................................. 33 Krátkodobá perspektiva (do 5 až 10 let) .......................................................................... 33 Dlouhodobá perspektiva / vize (10 až 15 let)................................................................... 35 Analýza SWOT ................................................................................................................... 35 Silné stránky..................................................................................................................... 35 Slabé stránky .................................................................................................................... 37 Příležitosti......................................................................................................................... 37 Ohrožení ........................................................................................................................... 38 Stav v zahraničí a v ČR ........................................................................................................ 39 Předpoklady.......................................................................................................................... 40 Připravenost...................................................................................................................... 40 Užití.................................................................................................................................. 41 Dopady ............................................................................................................................. 41 Návrhy opatření.................................................................................................................... 42 Dlouhodobé základní směry výzkumu na KKE ....................................................................... 43 Charakteristika ..................................................................................................................... 43 Vymezení ......................................................................................................................... 43 Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 2 Důvody ............................................................................................................................. 45 Očekávané výsledky - vize.................................................................................................. 46 Krátkodobá perspektiva (do 5 až 10 let) .......................................................................... 46 Dlouhodobá perspektiva / vize (10 až 15 let)................................................................... 46 Analýza SWOT ................................................................................................................... 47 Silné stránky..................................................................................................................... 47 Slabé stránky .................................................................................................................... 47 Příležitosti......................................................................................................................... 47 Ohrožení ........................................................................................................................... 47 Stav v zahraničí a v ČR ........................................................................................................ 47 Předpoklady.......................................................................................................................... 48 Připravenost...................................................................................................................... 48 Užití.................................................................................................................................. 48 Dopady ............................................................................................................................. 48 Návrhy opatření.................................................................................................................... 49 Dlouhodobé základní směry výzkumu na KMM ..................................................................... 50 Charakteristika ..................................................................................................................... 50 Důvody ............................................................................................................................. 52 Očekávané výsledky............................................................................................................. 55 Krátkodobá perspektiva (5 až 10 let) ............................................................................... 55 Dlouhodobá perspektiva / vize (10 až 15 let)................................................................... 56 Stav v zahraničí a v ČR ........................................................................................................ 57 Předpoklady.......................................................................................................................... 57 Připravenost...................................................................................................................... 57 Užití.................................................................................................................................. 58 Dopady ............................................................................................................................. 59 Dlouhodobé základní směry výzkumu na KPV ....................................................................... 61 Charakteristika ..................................................................................................................... 61 Vymezení ......................................................................................................................... 62 Důvody ............................................................................................................................. 66 Očekávané výsledky............................................................................................................. 66 Krátkodobá perspektiva (do 5 až 10 let) .......................................................................... 66 Dlouhodobá perspektiva / vize (10 až 15 let)................................................................... 67 Analýza SWOT .................................................................................................................... 67 Silné stránky..................................................................................................................... 67 Slabé stránky .................................................................................................................... 67 Příležitosti......................................................................................................................... 67 Ohrožení ........................................................................................................................... 68 Stav v zahraničí a v ČR ........................................................................................................ 68 Předpoklady.......................................................................................................................... 69 Připravenost...................................................................................................................... 69 Užití.................................................................................................................................. 70 Dopady ............................................................................................................................. 71 Dlouhodobé základní směry výzkumu na VC TT.................................................................... 72 Charakteristika ..................................................................................................................... 72 Vymezení ......................................................................................................................... 72 Důvody ............................................................................................................................. 73 Očekávané výsledky - vize.................................................................................................. 73 Krátkodobá perspektiva (do 5 až 10 let) .......................................................................... 73 Dlouhodobá perspektiva / vize (10 až 15 let)................................................................... 73 Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 3 Analýza SWOT ................................................................................................................... 74 Silné stránky..................................................................................................................... 74 Slabé stránky .................................................................................................................... 75 Příležitosti......................................................................................................................... 75 Ohrožení ........................................................................................................................... 75 Stav v zahraničí a v ČR ........................................................................................................ 75 Předpoklady.......................................................................................................................... 75 Připravenost...................................................................................................................... 75 Užití.................................................................................................................................. 76 Dopady ............................................................................................................................. 76 Návrhy opatření.................................................................................................................... 76 Dlouhodobé základní směry výzkumu na VC KV................................................................... 78 Charakterisika....................................................................................................................... 78 Vymezení ......................................................................................................................... 78 Důvody ............................................................................................................................. 78 Očekávané výsledky, přínosy – vize .................................................................................... 78 Stav v zahraničí a v ČR ........................................................................................................ 79 Předpoklady.......................................................................................................................... 80 Připravenost...................................................................................................................... 80 Užití.................................................................................................................................. 80 Dopady ............................................................................................................................. 80 Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 4 Úvod Předložený materiál navazuje na obdobný dokument, který byl vypracován v lednu r. 2007 pro celou ZČU. Fakulta strojní připravila v tomto dokumentu kapitolu „Konkurenceschopné strojírenství“. V průběhu roku 2007 a na počátku roku 2008 probíhá inovace tohoto dokumentu ve smyslu vyhodnocení vývoje požadavků zadavatelů projektů (národních i evropských) a k dílčím úpravám prioritních směrů. V tomto směru budou rovněž vyhlášeny a posuzovány projekty kateder a pracovišť fakulty z prostředků specifického výzkumu na rok 2008. Vypracovaný dokument bude předložen k prodiskutování vědecké radě FST a projednán AS FST. Základním cílem FST v oblasti výzkumu a vývoje je (v souladu se strategií univerzity) získávání většího podílu finančních zdrojů z aplikace VaV činností oproti dotacím na vzdělávací činnost. Stanovení základních směrů výzkumu je potřebné pro úspěšnou účast v národních programech VaV i v programech vyhlašovaných a financovaných EU. Jedná se zejména o: - sedmý rámcový program EU - rámcový program pro konkurenceschopnost a inovace (CIP) - strukturální fondy EU prostřednictvím operačních programů (OPPP, OPPI, OP VpK, OP VaVpI) - ostatní zdroje financování EU: Eureka, Eurostars Východiska Základním východiskem jsou strategické dokumenty MŠMT (dlouhodobý záměr MŠMT) a jejich rozpracování na ZČU; následně na jednotlivých fakultách. Dalším zdrojem pro stanovení cílů fakulty jsou strategické dokumenty Plzeňského kraje (Program rozvoje kraje) a města Plzně (Program rozvoje města Plzně). Aktivity FST směřují i do ostatních krajů ČR (hlavně Jihočeský a Karlovarský kraj). Jako další informační zdroje jsou využívány: - přeshraniční portál REGIOPORT - BIC (podnikatelské a inovační centrum) - RRA-PK (regionální rozvojová agentura PK) - RERA (regionální rozvojová agentura JČK - RKO-ZČ (regionální kontaktní organizace pro západní Čechy) V mnoha evropských dokumentech zabývajících se strategií se objevuje termín „Konkurenceschopnost průmyslu EU“. Mezi faktory ovlivňující růst a konkurenceschopnost patří zejména: - podpora inovací, vzdělávání a výzkumu - vytváření Evropského výzkumného prostoru - vytváření technologických platforem - zakládání klastrů a sítí inovativních podniků - rozvíjení udržitelné výrobní politiky V rámci evropské strategie výrobních procesů byl vytvořen model globálně pojaté výroby založené na znalostech [5]. Ke splnění cílů této strategie byly definovány hnací prvky, a to: - rozvoj výzkumné infrastruktury se zaměřením na informační a komunikační technologie, Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 5 - nové materiály a nové způsoby designu, miniaturizaci a přené strojírenství, integrující přístupy (mechatronika a řízení procesů), komplexní výrobky a nové technologie mezinárodní spolupráce vzrůstající důležitost kompetenčních center klíčová úloha vzdělávání nutnost stimulujícího prostředí pro průmyslové inovace Všechny takto definované aktivity mají splnit základní úlohu – vyšší konkurenceschopnost EU. Z uvedených východisek na národní i mezinárodní úrovni je tvořena inovovaná strategie FST v oblasti výzkumu a vývoje. Byly stanoveny základní výzkumné priority fakulty a to: A. Mechatronický přístup aplikovaný v konstrukci strojů B. Konstrukce výrobních, dopravních a energetických strojů a zařízení C. Progresivní materiály a technologie D. Moderní metody řízení strojírenské výroby K jednotlivým prioritám: Mechatronický přístup aplikovaný v konstrukci strojů Interdisciplinární obor mechatronika zahrnuje synergii strojírenství, elektroniky a informačních technologií. Na FST se předpokládají aplikace mechatronického přístupu hlavně v konstrukci výrobních strojů, dopravní a zdravotní techniky (podrobně viz DZSV katedry konstruování strojů). V rámci projektu MATEO (Interreg IIIC) vzniklo na FST Centrum mechatroniky, jehož úkolem je zapojení technických fakult ZČU do evropské sítě aktivit v oblasti mechatroniky. Konstrukce výrobních, dopravních a energetických strojů a zařízení V současné době se jeví jako problém mnoha strojírenských podniků v ČR i v zahraničí nedostatek konstruktérů. Na FST zajišťují výuku v této oblasti dvě katedry (katedra konstruování strojů a katedra energetických strojů a zařízení). Výzkum a vývoj na těchto katedrách je zaměřen na integrovanou znalostní podporu tvůrčích prací a na ověřování, zlepšování a optimalizaci získaných výsledků SW a experimentálními prostředky s ohledem na energetickou náročnost , ergonomii, pasivní a aktivní bezpečnost, spolehlivost a životnost. Podrobnosti jsou uvedeny dále pod DZSV katedry konstruování strojů, DZSV katedry energetických strojů a zařízení a DZSV Výzkumného centra kolejových vozidel. Progresivní materiály a technologie Je známo, že většina inovací výrobků a technologií, které jsou realizovány, vycházejí z důkladného prozkoumání materiálů, z nichž se produkty zhotovují, nebo s nimiž pracují nové technologie. Materiálové a technologické obory jsou dnes stále více interdisciplinární, kdy dochází k průniku technických a přírodovědných věd. Na FST jsou tradiční dvě katedry, které se touto problematikou zabývají a katedra materiálu a strojírenské metalurgie a katedra technologie obrábění. Mezi progresivní technologie, které budou v rámci VaV rozvíjeny, patří zejména moderní technologie obrábění a tváření, mikro a nanotechnologie, pokrokové montážní technologie a projektování výrobních provozů. V oblasti materiálů se jedná o inovaci stávajících materiálů a výzkum a vývoj nových materiálů (kompozity, nanomateriály atd.) Další významnou aktivitou je výzkum a vývoj aplikací povrchových vrstev s unikátními vlastnostmi, nových zkušebních metod a postupů pro hodnocení a predikci vlastností. Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 6 Podrobněji opět viz DZSV katedry materiálu a strojírenské metalurgie, DZSV Výzkumného centra FORTECH a DZSV katedry technologie obrábění. Moderní metody řízení strojírenské výroby Tato problematika je náplní práce katedry průmyslového inženýrství a managementu (podrobně viz DZSV katedry KPV). Jedná se o uplatnění progresivních metod a nástrojů IS/IT, řízení kvality výroby a její ekonomické náročnosti, hledání možností oborového nebo regionálního slučování (konsorcia, platformy, klastry atd.). Velmi intenzivně se katedra zabývá rozvojem digitalizace výrobních procesů. Vazby strategie FST na subjekty v ČR Jedná se o stávající nebo zamýšlené aktivity se spolupracujícími subjekty z oblasti VaV: Regiony: mapování potřeb forem spolupráce s podniky v příhraničních krajích formou působení středisek transferu technologií (PK, KK, JČK) pokračující spolupráce se stávajícími institucemi (BIC, RRA-PK, RERA, Czechinvest, HK) Vzdělávací a VaV instituce: ČVUT Praha, ŠKODA VÝZKUM s.r.o., ÚJV Řež, AV ČR, atd. Podniky: pokračování spolupráce se strategickými partnery FST Významným počinem je aktivní účast FST na vzniku národní technologické platformy „Strojírenství“ napojenou na ETP Manufuture. Vazby strategie FST na subjekty v zahraničí Využití vzniklé sítě partnerů v rámci řešení projektu MATEO, a to: - CIDEM Španělsko - Politecnico di Milano, Itálie - Technicsch Universiteit Eindhoven, Holandsko - Fontys University, Itálie - University of Brescia, Itálie Mezi další významné zahraniční partnery patří dále: - Design Society Glasgow – AEDS Applied Engineering Design Science - Universität Otto von Guericke Magdeburg - TU München - TU Chemnitz - Ecole Centrale Marseille - Universé D´Avignon Informační zdroje: [1] Švejda P. a kol.: Inovační podnikání, Praha 2007 [2] Dokoupil J. a kol.: Rozvojový potenciál PK, ZČU Plzeň 2005 [3] Kol.: Regionální foresightová studie NUTS II Jihozápad Plzeň 2005 [4] Šperling K.: Konvergující technologie v FRPEV ČSNMT Praha 2005 [5] Šperling K.: Manufuture – model globálně pojaté výroby založení na znalostech, Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 7 ČSNMT Praha 2004 [6] Klementová J.: Regionální inovační strategie BRIS 2004 Plzeň [7] Kol.: Zelená kniha výzkumu, vývoje a inovací v ČR, TCAV 2008 Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 8 Katedra technologie obrábění Rychlý rozvoj výpočetní a NC techniky v posledním desetiletí a používání stále výkonnějších řezných nástrojů a obráběcích strojů, vyžaduje i nové přístupy k řešení konstrukčních a technologických problémů ve strojírenské výrobě, zejména v souvislosti se skutečností, že strojní celky sestávají stále častěji ze součástí velmi složitého tvaru a na jejich výrobu a montáž jsou kladeny stále vyšší kvalitativní požadavky. Z tohoto důvodu bude také VaV činnost na katedře technologie obrábění dlouhodobě zaměřována na řešení s tím související problematiky, jejímž obsahem bude zejména: - Optimalizace pracovních podmínek řezných nástrojů s cílem zvýšit produktivitu práce při zachování nebo zvýšení kvalitativních parametrů výrobků Vývoj a rozšíření moderních technologií obrábění jako je rychlostní, tvrdé a silové obrábění do praxe Vývoj nových koncepcí řezných nástrojů a přípravků pro obrábění těžkoobrobitelných ocelí, kompozitních materiálů a nanomateriálů. Vývoj simulačních metod pro realizaci nových montážních schémat s uplatněním nových montážních prvků Vývoj nových strategií úběru materiálu při obrábění tvarových ploch na NC strojích s ohledem na maximálně dosažitelnou produktivitu úběru při zachování přijatelné ochrany nástroje před poškozením Vývoj postprocesorů pro obrábění tvarově velmi složitých obrobků v režimu pěti a víceosého obrábění Vývoj systému NC programování pro broušení tvarových nástrojů na brousících strojích v pěti a více osách Vývoj nových, progresivních technologií jako je digitalizace objektů, zpracování digitalizovaných dat, reverzní inženýrství a rapid prototyping Vývoj systému na bázi CAD/CAM pro identifikaci součástí s podobnou technologií výroby za účelem uplatnění metod skupinové a typové technologie Vývoj modulárního dialogového systému počítačové podpory technologické přípravy výroby umožňující vypracování výrobní dokumentace a její distribuci až na jednotlivá pracoviště ve výrobě Výzkum možností zkracování procesních řetězců s využitím simulace pracovních činností a pracovních procesů Výzkum možností racionalizace práce se zaměřením na základní prvky pracovního procesu a ergonomii pracoviště Vývoj metody měření vybraných úchylek tvaru a polohy a metodiky klasifikace přesnosti strojů za účelem hodnocení způsobilosti obráběcího stroje Výzkum vlivu volby metodiky tvorby souřadné soustavy součástí na vyhodnocování rozměrů a úchylek tvaru a polohy součástek Vývoj a výzkum metod hodnocení environmentálních dopadů strojírenských technologií Vývoj a výzkum manažerských nástrojů pro řízení kvality, racionalizaci práce, ergonomii a spolehlivost výrobních strojů a procesů Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 9 Katedra konstruování strojů Výzkumnou a vývojovou činnost na KKS lze rozčlenit do tří oblastí: 1) Obecná problematika, využívaná pro všechny speciální obory: - rozvoj teoretických a metodických poznatků a konstrukčních metod - rozvoj metod používaných pro simulaci chování technických zařízení a pro optimalizaci těchto zařízení - rozvoj progresivních počítačových metod používaných při vývoji nových technických produktů - rozvoj experimentálních nástrojů používaných při vývoji nových technických produktů - analýza strojních částí a funkčních skupin (pevnostní, tuhostní a životnostní analýza), optimalizace podle předem stanovených kriterií - vývoj a výzkum strojních částí a funkčních skupin s ohledem na jejich požadované vlastnosti (charakteristické funkce, výroba, montáž, provoz, náklady, …) a kvalitu výsledného produktu - vývoj mechatronických systémů (mechanické, hydraulické, pneumatické, elektronické prvky, software,..), využití těchto systémů pro vývoj nových produktů 2) Oblast výrobní techniky: - rozvoj a aplikace progresivních metod při konstrukci funkčních skupin výrobních strojů (rámy, pohony,…) a celých strojů - simulace výrobních procesů (obrábění, tváření…) s cílem zjišťování jejich požadovaných charakteristik (zatěžovací stavy, přesnost tuhost, dynamické charakteristiky) - výzkum nových materiálů (kompozitů,) a materiálových struktur (sendviče), zjišťování a ověřování jejich vlastností, aplikace těchto materiálů s cílem dosažení vyšší kvality produktů 3) Oblast dopravní a manipulační techniky: - rozvoj a aplikace progresivních metod při konstrukci funkčních skupin silničních a kolejových vozidel a manipulačních zařízení - výzkum a vývoj nových konstrukčních prvků v oblasti dopravní a manipulační techniky - aktivní a pasivní bezpečnost, Crash výpočty a jejich ověření - snižování energetické náročnosti dopravních prostředků a výzkum dopravních prostředků a životní prostředí Zajištění a realizace výzkumné a vývojové činnosti: - finanční zdroje z grantové činnosti (GAČR, MPO projekty, interní granty…) - v činnosti výzkumných center (VCSVTT, VCKV,…) - projekty s průmyslovými firmami - výhledově činností v rámci technologické platformy strojírenství - v disertačních pracích v rámci doktorského studia Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 10 Katedra energetických strojů Zvyšování účinnosti, spolehlivosti a životnosti vybraných tepelných a proudových zařízení s využitím numerických a moderních experimentálních technik. Pokusný organický Rankinův cyklus Výzkum organického Rankinova cyklu jako zdroje pro využití nízkopotenciální a odpadní tepelné energie pro výrobu elektrické energie. Funkčnost a účinnost vybraných partií průtočné části cyklu Vibrace buzené aerodynamickými silami Termofyzikální vlastnosti pracovních látek Optimalizace cyklu Pokusná transsonická turbína Výzkum proudění v transsonické vzduchové turbíně s cílem zvýšení spolehlivosti a termodynamické účinnosti eliminací energetických ztrát. Měření nestacionárních jevů v turbínovém kanálu Optimalizace 3D tvarování lopatek Měření a vyhodnocování aerodynamických charakteristik Výzkum vibrací lopatek Výzkum prouděním vybuzené vibrace v aerodynamickém tunelu jako zdroj nových poznatků o působení silových účinků na stabilitu provozu rotorových soustav. Numerická simulace tepelných a proudových jevů Počítačové simulace tepelných a proudových jevů pomocí sofistikovaných CFD programů. Předpokládá se řešení úloh z řady průmyslových odvětví: energetické stroje klasické i jaderné, palivové články, katalyzátory, výměníky tepla, chemické reaktory atd. Simulace proudových a tepelných polí Simulace interakce tekutiny s pružnou stěnou Simulace chemických reakcí Moderní měřící metody Nasazení moderních měřících metod mechaniky tekutin a termomechaniky. Vytváření nových metodik měřicích metod pro výše uvedené činnosti Využití laserové anemometrie a vibrometrie v proudových a tepelných strojích Využití ultrazvukových metod v hydraulických strojích Speciální pneumatické metody na měření rychlých dějů Měřící metody vibrací lopatkových strojů Metody na měření termofyzikálních vlastností pracovních látek Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 11 Katedra materiálu a strojírenské metalurgie Základní směry odborné činnosti z hlediska dlouhodobého rozvoje katedry: a) progresivní materiály b) povrchové inženýrství c) progresivní technologie d) materiálová chemie, nanomateriály a nanotechnologie V oblasti „Progresivní materiály“ (zejména pro energetiku a dopravní techniku) budou vyvíjeny, studovány a osvojovány materiály vznikající aplikací moderních technologií - např. TRIP oceli, oceli pro turbíny s nadkritickými parametry, nové typy žáropevných ocelí pro výrobní energetická zařízení s nadkritickými parametry a konstrukčními aplikacemi umožňujícími zvýšit jejich účinnost, kompozitní materiály a nanomateriály atd. Navíc bude rozvíjena spolupráce v oblasti materiálových databázových projektů, včetně tvorby ucelených podkladů pro hodnocení zbytkové životnosti konstrukčních materiálů po dlouhodobém působení provozních podmínek, umožňující šíření nových poznatků v rámci regionálních i mezinárodních pracovišť. V oblasti „Povrchové inženýrství“ bude směr zájmu orientován jednak na multivrstevné a nanokompozitní materiály a rovněž na nové kluzné vrstvy na bázi uhlíku. Z hlediska aplikací budou sledovány možnosti uplatnění daných systémů jednak na řezných, ale nově také na tvářecích nástrojích. U součástí vystavených kontaktnímu namáhání a dalším degradačním účinkům např. koroze, eroze budou vytipovány nové možnosti ochrany s využitím předností tenkých PVD a CVD vrstev. Pro splnění těchto cílů bude činnost v oblasti povrchového inženýrství soustředěna na: nové možnosti depozice (včetně metodiky testování) progresivních tenkých vrstev na strojní součásti a nástroje za účelem zvýšení užitných vlastností. sledování komplexních vlastností obsažených v pojmu „integrita povrchu“ za účelem získání dostatečného množství poznatků o tvorbě povrchu při třískovém i tvářecím procesu a jeho přínosu k užitným vlastnostem a predikci životnosti součástí a nástrojů. V oblasti „Progresivní technologie“ budou základními směry výzkumu: procesy využívající extrémních deformací pro přípravu ultrajemných struktur v kovových materiálech (především ocelí a slitin Al) s cílem dosažení vyšších mechanických charakteristik příprava a vývoj nových technologií obtížně tvařitelných materiálů, tváření materiálů za snížených teplot, tváření velmi malých součástí v tixotropním stavu, tváření kapalným mediem v oblasti „rapid prototyping“ v oblasti svařování bude věnována pozornost novým metodám svařování nestejnorodých materiálů, tenkých plechů, vysokopevných ocelí, apod. V oblasti „Materiálové chemie“ bude hlavní pozornost soustředěna na možnosti úprav (zpracování) jílů - zejména bentonitu a kaolinu, pro použití v klasických i moderních materiálech. Zájmovou oblastí je zejména zhodnocení přírodních nemetalických surovin na produkty s vysokou užitnou hodnotou. Výzkum bude dále zaměřen na oblast vývoje nových nanokompozitních systémů typu jíl - polymer. Výsledné materiály vykazují výborné užitné vlastnosti v mnoha oblastech (např. pevnostní charakteristiky, samozhášlivost, propustnost plynů). Nanokompozitní systémy obsahující přírodní polymerní struktury (např. škrob) jsou snadno biodegradovatelné a mohou být široce využity jako ekologicky přívětivé materiály. Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 12 Katedra průmyslového inženýrství a managementu - Základní směr výzkumu je orientován na digitalizaci celoživotního cyklu výrobku (PLM) - - - - - - od koncepce výrobku přes etapy konstrukční přípravy výroby, technologické přípravy výroby, technologického projektování výroby a montáže, racionalizace, logistiky, průmyslového managementu, projektového řízení, údržby a revitalizace až po recyklaci nebo likvidaci. Vytvořit propojující most mezi již vybudovanými digitálními systémy z oblasti konstrukčně-technologické (CAD/CAM) a systémy z oblasti plánování a řízení (ERP) prostřednictvím nástrojů digitální fabriky (Digital Faktory), což je pojem zaměřující se problematiky navrhování a racionalizace a provozování produkčního systému. Téma tohoto průřezového zaměření produkční schopnosti virtuálních firem vychází ze zmíněných prací s digitálním návrhem výrobků v oblasti konstruování strojů, z navazujících digitalizovaných technologických procesů v oblasti technologie obrábění a návrhu výrobních systémů a procesů s digitální podporou v oblasti průmyslového inženýrství. Komplexní propojení oblastí digitalizovaného konstrukčního návrhu a ekonomické kriteriální funkce efektivního návrhu výrobního systému ve virtuální firmě jako dalšího parametru základního výzkumu. V současné době je nejméně propracovaná oblast výroby a montáže, a to protože zde hraje roli velké množství faktorů se značnou neurčitostí (např. faktory obchodní, životního prostředí, lidského faktoru). Tématicky jsou dnes problematiky zmíněných oblastí řešeny lokálně v jednotlivých subjektech ovšem bez vzájemných souvislostí. V případě přidání dalšího parametru, kterým bude komplexní a provázané řešení daných oblastí, je stávající lokální řešení nepoužitelné. Předpokládá se vybudování datově a softwarově propojených spolupracujících výzkumných laboratoří: tvorba výrobku, virtuální prototypy, technologické postupy výroby a montáže a jejich virtualizace, NC programy, layouty, ergonomie, robotika, vnitroobjektová, meziobjektová a globální logistika, komplexní management (plánování, organizace a řízení, náklady). Vytvoření spolupracujících subjektů v podobě výzkumných laboratoří orientovaných na jednotlivé etapy životního cyklu výrobků či funkcionalitu oblastí vedoucí ke zvýšení konkurenceschopnosti zúčastněných členů, což spočívá především v myšlence spojeného úsilí za dosažení společného cíle. To ovšem předpokládá nejen plné otevření se všech spolupracujících členů ostatním, ale také plné propojení informačních a hmotných toků. Předpokládá se propojení a nalezení závislosti mezi vstupy transformačního procesu v podobě konstrukčního návrhu výrobku a dalších zdrojů potřebných pro transformaci (materiál, energie, personální zabezpečení, technologie, apod.) na konkurenceschopnosti výsledného produktu. Nasazení metod průmyslového inženýrství v oblasti podnikových informačních systémů vedoucích k racionalizaci produkčního systému včetně vyhodnocování efektů a přínosů jejich nasazení ve smyslu zvýšení konkurenceschopnosti. Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 13 VC TT • analýza chování materiálů při vybraných technologických procesech Využití deformačních vlastností v technologických procesech bude zkoumáno pro vývoj nových technologií procesu tváření a vybraných procesů obrábění. Je zřejmé, že tyto dvě technologie, které využívají ve svém základě především specifické chování dislokací k dosažení žádaného technologického chování, mohou vytvářet, a jak je v současné době zřejmé, vytvářejí vhodné kombinace vedoucí k žádanému projektu s žádanými vlastnostmi a zároveň mohou ve vzájemné konkurenci značně urychlovat tempo vývoje. Obě dvě technologie objemového zpracování materiálu vyžadují poznání materiálových vlastností, které je potřeba za specifických podmínek procesu měřit, simulovat a modelovat. Na základě analýzy chování materiálu lze pak společně s novými ideami výroby součástí vytvářet nové konkurenceschopné technologie. Je samozřejmé, že do těchto procesů budou vstupovat čím dál častěji i interdisciplinární prvky, které budou v budoucnu nevyhnutelné proto, aby bylo možno dosáhnout vysoké kvality výrobku a standardních průběhů procesů tak, aby nemohlo dojít k jejich selhání. • vytváření nových nekonvenčních technologických řetězců Současný stav a perspektivy rozvoje regionu ukazují, že bude nutno do budoucna posilovat výrobní technologie umožňující nízkonákladovou výrobu dílů a součástí pro užitkové a spotřební předměty. Takovéto díly je především z kovu možno vyrábět technologiemi, které daným součástem poskytnou nejen potřebný tvar ale i finální vlastnosti. Moderní výrobní postupy budou vyžadovat vytváření nových nekonvenčních technologických řetězců. Tyto řetězce mohou být pospojovány jak z klasických technologií tak i z nově vyvinutých inovativních technologií nebo dokonce spojeny i s technologiemi zcela novými, které v současné době ještě nejsou ve stavu současné techniky. Optimalizací takovýchto postupů s vhodným využitím vlastností nových materiálů lze dosáhnout synergických efektů, které povedou k znásobení efektivity jak technologického řetězce, tak užitné hodnoty produktu při zachování přijatelné ceny a vlivu na životní prostředí. • optimalizace technologických parametrů výrobních procesů Uvedené technologie bazírující na využití deformačních schopností kovových materiálů zahrnují veškeré procesy týkající se tváření a obrábění, eventuelně jejich modifikací, přičemž je zpravidla vhodné v průběhu technologického procesu vhodným způsobem modifikovat materiálové vlastnosti k tomu, aby proces probíhal v optimálním rámci technologického okna a zároveň po ukončení procesu bylo dosaženo potřebné struktury a tedy i finálních materiálových vlastností. Samozřejmě tyto výzkumy musí být založeny na co nejlepším poznání komplexních materiálových vlastností, které musí být odpovídajícím způsobem v širokém rozsahu technologických parametrů zkoušeny a vyvíjeny. Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 14 VC KV snižování energetické náročnosti v dopravní technice využití nových materiálů s vyššími užitnými vlastnostmi výzkum a vývoj aktivní a pasivní bezpečnosti, jak v oblasti simulačních metod, tak uplatnění v konstrukci a ověření na experimentálních zařízeních využití diagnostických metod pro předcházení poruch, event. havárií výzkum a vývoj nových dopravních principů pro řešení konkurenčního vztahu silniční a kolejové dopravy kromě užívání moderních výpočtových a simulačních metod se předpokládá výstavba zkušebních stendů, na kterých budou teoretické poznatky ověřovány experimentálně podrobnější popis dlouhodobých základních směrů výzkumu centra viz příloha str…. Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 15 Dlouhodobé základní směry výzkumu na KTO Charakteristika Vývoj neustále nových progresivních materiálů produktů, nových řezných materiálů a stále se zdokonalující počítačová podpora umožňuje i nové přístupy v hledání nových progresivních technologií a strategiích obrábění, koncepcí řezných nástrojů, držáků nástrojů a přípravků pro obrábění. Počítačová simulace dovoluje řešit pracovní stavy nástrojů v extrémních pracovních podmínkách, a tak se vyvarovat kolizním situacím při reálném provozu těchto nástrojů. V návaznosti na využití moderních řezných materiálů bude velká pozornost věnována aplikaci progresivních metod obrábění do praxe, zejména vysokorychlostnímu a výkonovému obrábění (HSC a HPC), tvrdému a ekologickému suchému a kvazi-suchému (MQL) obrábění. Při realizaci těchto technologií se předpokládá využití nových řezných nástrojů, u kterých budou uplatněny poznatky získané výzkumem depozice tenkých vrstev (nanokompozitních vrstev) a aplikace funkčně optimalizovaných povrchových vrstev na funkčních plochách nástrojů. Výzkum bude završován optimalizací výrobního řetězce produktu, včetně optimalizace dílčích technologických postupů s využitím získaných znalostí, s přihlédnutím k ekonomickým a enviromentálním aspektům. Rychlý rozvoj výpočetní a NC techniky v posledním desetiletí a používání stále výkonnějších řezných nástrojů a obráběcích strojů, vyžaduje i nové přístupy k řešení konstrukčních a technologických problémů ve strojírenské výrobě, zejména v souvislosti se skutečností, že strojní celky sestávají stále častěji ze součástí velmi složitého tvaru. Na katedře technologie obrábění je v této souvislosti věnována systematická pozornost rozvoji metod programování tvarově složitých součástí, vývoji software pro pracovní cykly moderních nástrojů, zpracování víceosých postprocesorů pro CAD/CAM systémy CATIA, KOVOPROG, AlphaCAM a CIMATRON, vývoji adaptivního řízení posunové rychlosti obráběcího stroje, digitalizaci objektů, reverznímu inženýrství a metodám Rapid Prototyping. Rozvoj strojírenských technologií a výrobní techniky je v současné době tak progresivní, že technologické projektování vyžaduje velký počet vstupních i výstupních informací, což téměř vylučuje klasické způsoby práce a je proto nezbytné použití výpočetní techniky. Stávající systémy softwarového zabezpečení, používané v zahraničí nejsou většinou kompatibilní s u nás zavedenou metodikou projektování (rozbory součástkové základny, klasifikace výrobního zařízení, typová a skupinová technologie, struktura časových studií atd.). Proto je třeba mít k dispozici softwarové vybavení na vysoké, integrované úrovni, Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 16 odpovídající republikové datové struktuře a navrhnout modulární dialogový systém počítačové podpory technologické přípravy výroby, umožňující vypracování výrobní a projektové dokumentace a její distribuci jak v podobě textové, tak i datové až na jednotlivá pracoviště ve výrobě. Samozřejmě nedílnou součástí problematiky technologického projektování výrobních procesů a systémů je neodmyslitelně oblast manipulace s materiálem (doprava, skladování, hospodaření s odpadem, obalová technika a zjišťování množství, tj vážení, měření, počítání) racionalizace práce a pracovních metod (studium pracovního procesu), ergonomie a ergonometrie včetně techniky prostředí. Předpokládá se plné sdílení dat (s minimální nutností jejich korekce či doplňováním), variantní řešení jednotlivých modulů (s maximální podporou výběru nejvýhodnějšího řešení) včetně možnosti koncipování popřípadě modifikování struktury a obsahu dokumentace (uspořádání výstupních sestav). To vše s maximální optimalizací jednotlivých projektových prací a plným využitím stávajících podpůrných softwarových produktů. Celý systém se předpokládá budovat jako otevřený, aby umožňoval začlenění do systému CAD/CAM (CIM) a pozdější datového napojení na simulaci či animaci. Oddělení Řízení kvality a technologické přípravy výroby (ŘTP) je po restruktualizaci KTO novým útvarem. Zatím, co řízení kvality a metrologie je v současném tržním prostředí páteří absolutně všech činností technických i netechnických, technologická příprava výroby nachází zájemce především v oblasti strojírenské výroby. Obě oblasti nacházejí v současné ČR široké uplatnění z hlediska struktury průmyslu a poloze ČR v EU i s ohledem na požadavky vědy, výzkumu, podnikání a vzdělávání. Vyžaduje neustálé aktualizace znalostí ze základních oborů materiálového inženýrství, konstrukce a manažerských dovedností. Prolíná se tak jednotlivými obory a jejím cílem je optimální koordinování činností pro spokojenost zákazníků. Návaznost na unitární právo a zákony ČR celek doplňuje. Je tedy třeba se v krátko i dlouhodobém horizontu zaměřit na růst výkonnosti v oblasti VaV, rozvíjet zdroje odborně způsobilých pracovníků také s ohledem na jejich pedagogické a lidské vlastnosti. Předpokladem je nastolení vysoké komunikační kultury s regionálními a mezinárodními subjekty, což bude mimo jiné zdrojem pro marketingové studie nabízených služeb – VaV, výuka (celoživotní) a cílová řešení požadované problematiky. Aplikace moderních metod řízení jakosti a metrologie je jedním z hlavních faktorů ovlivňující jakost výrobku (např. geometrická přesnost obráběcího stroje). To je specifikováno protokolem přesnosti, jež k definování přesnosti stroje využívá měření úchylek tvaru a polohy, vyplývající z povolených odchylek částí, jejich vzájemných vazeb v uzlech a následně v celých zařízeních. Metody měření těchto úchylek, definované např. v normě ČSN Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 17 ISO 230-1, však velmi často popisují stroj v daném parametru nedostatečně, nebo pro daný typ stroje nejsou vůbec použitelné. Ani zahraniční normy nepokrývají danou problematiku uspokojivě. To platí především pro velké obráběcí stroje. Řešenou tématikou je reakce na výše zmíněné nedostatky formou návrhu/vývoje metod měření vybraných úchylek tvaru a polohy, metodiky měření, analýzy naměřených dat, metodiky klasifikace přesnosti strojů apod. Předpokládaným cílem je publikování výsledků s případnými návrhy změn příslušných norem, resp. postupů a metodik. Výsledným cílem může být až akreditace pracoviště v oblasti zkoušení obráběcích strojů. S danou problematikou nedílně souvisí další oblasti, jako projektování stroj. výroby, racionalizace práce, metody řízení jakosti, metrologie. Průmyslové podniky, zejména malé a střední, se neustále potýkají s absencí vhodných personálních kapacit pro řešení problematiky v oblasti technologické přípravy výroby a její automatizace, obrábění a konstrukce nářadí, včetně metrologie a oblasti řízení jakosti. A to jak při návrzích zavádění nových moderních výrobních metod, tak i při vývoji měřicích metod při extrémních nebo nestandardních požadavcích na přesnost, velikost rozměrů atd. Problematika je o to závažnější, že v souladu s požadavky na jakost musí být výsledky dokladovány a dále zpracovány. Požadavky vyplývají mimo jiné také z legislativy, kterou zejména malé podniky v řadě případů ani neznají. Vymezení KTO se bude dále dlouhodobě orientovat do následujících oblastí: A. Technologie obrábění a montáže Aplikace a optimalizace moderních metod a progresivních technologií obrábění do praxe – výzkum a vývoj řezného procesu (HSC, HPC, Micro-HSC, Hard-HSC, HSC-MQL, HSC-Laser a dalších) Optimalizace obrábění se zaměřením především na obrábění tvarově složitých ploch – snížení nákladů a zvýšení produktivity (strategie obrábění, řezné podmínky, procesní prostřed, řezný materiál a progresivní vrstvy) Vývoj řezných a tvářecích nástrojů - konstrukce a technologie (řezné nástroje pro obrábění a tvářecí nástroje bezprostředně po obrábění) Vývoj upínacích držáků nástrojů, obrobků a přípravků - konstrukce a technologie Výzkum obrobitelnosti progresivních těžkoobrobitelných produktových materiálů a řezivosti prototypových a sériových řezných nástrojů – experimentální technologické zkoušky obrábění Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 18 Výzkum a aplikace moderních prvků montážních systémů ve strojírenství – optimalizace procesu Vývoj experimentálních metodik - diagnostika stability řezného procesu (Akustická emise, chvění, trvanlivost, řezné síly, teploty) Výzkum simulace řezného procesu při obrábění – minimalizace nákladného experimentálního testování B. Automatizace a NC technika Řešení problematiky navrhování nových technologií dokončování složitých prostorových tvarů na NC strojích a prostorová analýza možných kolizí systému nástroj – obrobek Vytváření maker pro NC programování pracovních cyklů moderních řezných nástrojů Vytvoření systému NC programování pro broušení tvarových ploch nástrojů na NC bruskách Zpracování postprocesorů pro pěti a více osé obráběcí stroje Prototypová výroba zápustek metodou reverzního inženýrství Prototypová výroba tvarových součástek metodou rapid prototyping Uplatnění moderních CAD/CAM systémů pro identifikaci součástí s podobnou technologií výroby – uplatnění typové a skupinové technologie Návrh a realizace systému adaptivního řízení posuvové rychlosti frézovacího nástroje při víceosém obrábění C. Technologická příprava výroby TECHNOLOGICKÁ PŘÍPRAVA VÝROBY (TgPV) je soubor činností jejichž výsledkem je vytvoření dokumentace (technologický projekt), jejímž cílem je předpis technologie a organizace zamýšlené výroby. Technologický projekt obsahuje zejména výrobní postupy, normy času, kapacitní výpočty, dispoziční řešení výroby, řešení manipulace s materiálem, někdy též stavební a energetickou část a je zakončen ekonomickým zhodnocením). V subsystému projektování výrobních procesu (PVP) se jedná především o uplatňování zásad racionalizace práce, využívání metod typové a skupinové technologie a Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 19 nových progresivních metod přetváření pracovního předmětu včetně zvyšování sériovosti a zhromadňování výroby. V subsystému projektování výrobních systémů (PVS) se provádí komplexní příprava výrobní základny, tj. stanovení počtu pracovišť, dělníků a strojů a zařízení včetně vyřešení jejich rozmístění pomocí alokačních metod (návrh dispozičního řešení ve 2D či 3D). Nedílnou součástí projektu je i projektování manipulace s materiálem, kde se jedná o projektování dopravy (zejména vnitrozávodové, vnitroobjektové, mezioperační a operační), projektování skladového hospodářství, manipulace s odpadem, obalovou techniku, vážení, měření a počítáni kvantity. To vše včetně automatizace, zejména robotizace. Pro racionální vytváření projektové dokumentace je nezbytné využívání progresivních uživatelsky orientovaných vzájemně propojených CA systémů (počítačových podpor). V oblasti PVP se jedná o systémy TPV2000 a SYSKLASS, SW pro časové studie SYMODAT (REFA), MOST, MTM. či SW pro chronometráž ChronData. V oblasti PVS pak SW pro kapacitní výpočty, tvorbu dispozičních řešení ve 2D a 3D (CATIA, DELMIA, DISPO), SW pro stanovení materiálových toků a velikosti manipulačních jednotek, ergonomických SW ERGOMAS a DELMIA. Funkčnost výše uvedených SW podpor je podmíněna existencí podpůrných databází výrobních prostředků (digitální katalog strojů a zařízení), prostředků pro manipulaci s materiálem a robotizaci, jakož i veškerého nářadí (nástrojů, měřidel a přípravků). V závěru roku 2007 byl vytvořena počítačová podpora technologického projektanta pod pracovním názvem TgPV 2007, která integruje výše uvedené SW. Výstup z tohoto modulu se předpokládá v digitální podobě (DIGITÁLNÍ FABRIKA či PODNIK) se všemi nezbytnými údaji vztahujícími se k vypracovanému technologickému projektu investiční akce. D. Řízení kvality a metrologie V oblasti řízení kvality se oddělení prioritně zaměří na odbornou činnost související s výzkumem a vývojem manažerských nástrojů pro řízení kvality (v oblasti matem. statistiky a pravděpodobnosti), na oblast integrovaného managementu v kontextu požadavků EU. Dalším předmětem zájmu bude vývoj nových měřicích principů a metod pro praxi, s využitím nových poznatků z oblasti materiálového inženýrství. Důraz bude dále kladen na racionalizaci práce, bezpečnostní rizika, ergonomii a spolehlivost výrobních strojů a procesů Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 20 z hlediska výuky a užitnosti v praxi a pro případné řešení zákaznických požadavků a další spolupráce s obdobnými subjekty. Uvedené priority jsou přímo vázány na spolupráci a ochotu spolupracovat mezi jednotlivými subjekty ZČU. Možné externí spolupráce nejsou v tomto směru ohroženy, naopak rýsují se poměrně reálné možnosti. Z pohledu výuky se jedná o doplnění skladby oboru o předměty vyučované na jiných katedrách a současně respektování námi vyučovaných předmětů. Z hlediska VaV je nezbytné začít intenzivně spolupracovat s FAV, FEL a NTC a „restartovat“ spolupráci s katedrami FST. Spojit do funkčních celků (třeba pod hlavičkou „digitálního podniku“ všechny nezbytné subjekty, ovšem ne pod vedením jedince, ale zástupců jednotlivých subjektů i v oblasti financování s rovnými právy a povinnostmi. Pak je možno uvažovat o vývoji a vzniku využitelných (a patentovatelných), konkurenceschopných výstupů. Důvody Ekonomická a enviromentální hlediska Zvyšování konkurenceschopnosti Uvedený výzkum je v rámci Evropské unie otevřen běžné konkurenci, která je charakterizována celou řadou kateder či výzkumných ústavů umístěných na technických univerzitách po celé Evropě, eventuelně na ústavech, které tyto výzkumy provádějí na soukromé nebo polostátní bázi. Praxe ukazuje, že potřeba vývoje technologií obrábění je neustále vyžadována, neboť s rostoucím tlakem na snižování nákladů je nutné odpovídajícím způsobem zvyšovat kapacity pro vývoj inovativních technologií. Zároveň roste díky dynamice průmyslu i počet produktů, které musí být do detailu optimalizovány včetně vhodného výrobního technologického řetězce v oblasti obrábění. Nedílnou součástí těchto procesů je zohlednění enviromentálních aspektů. Charakteristickou zvláštností strojírenské výroby je vysoká pracnost technologických procesů a jejich diskrétnost. Diskrétní charakter strojírenské výroby je podmíněný tím,že polotovary a součástky se dostávají na pracovní místa postupně. Každou součástku je potřeba zhotovit samostatně s použitím různých operací, přitom až do dneška zpravidla na různých strojích. V procesu výroby vzniká potřeba složité dopravy polotovarů, součástek a montážních uzlů a jejich skladování. Pro jednu základní operaci obrábění je potřeba někdy až několik desítek pomocných operací (zejména manipulace s materiálem). Diskrétností jsou Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 21 charakteristické i procesy montáže, kontroly a zkušebnictví. V současné době se ukazuje, že 75 – 80 % výroby dílců ve strojírenské výrobě připadá na malo- a středně- sériovou výrobu. Rostoucí složitost výrobků zvětšuje počet technologických operací a četnost úkonů při seřizování obráběcích strojů. Základem intenzifikace strojírenské výroby se v současnosti stává automatizace výrobních i nevýrobních procesů, která umožňuje rozhodujícím způsobem zvyšovat produktivitu práce a zlepšovat kvalitu výroby. Účinný prostředek pro snížení ztrát a úsporu výrobních časů představuje nasazení moderních NC obráběcích strojů s automatickou výměnou nástrojů a obrobků. Stejně tak je důležité nasazení robotů pro operační, někdy i mezioperační manipulaci s materiálem. Současně však vznikají v současné době nové výrobní tendence, vycházející především z možností širšího uplatnění moderní výpočetní techniky pro řízení automatizovaného výrobního procesu. Používání řídících počítačů umožňuje vytváření velmi pružných výrobních soustav a systémů. Automatizace informačního toku se uplatňuje jako prostředek pro zabezpečení technologického chodu výrobního zařízení i pro automatizaci prací v konstrukci a v technologické přípravě výroby. Počítačová a automatizační technika pronikla i do oblasti technické kontroly a diagnostiky. Tyto skutečnosti vytvářejí důležitý předpoklad pro automatický přechod výrobního zařízení na jiný sortiment výroby i přes nepřítomnost člověka. Vysoká úroveň znalostí, kvalitní strojní a přístrojové vybavení umožní vyváženou spolupráci s vysokoškolskými institucemi a průmyslovými podniky v tuzemsku i v rámci Evropské unie. Technologická příprava výroby (TgPV) je oblastí, která určuje podmínky pro optimalizovaný průběh výrobního procesu v optimální struktuře výrobní základny. Vyprojektovaný výrobní systém vymezuje podmínky, na základě kterých se bude výroba realizovat – tedy i řídit. Řízení výroby musí respektovat, dle technologického projektu realizovanou, výrobní základnu a zajistit její funkčnost s minimálními finančními ztrátami (vzniklými v souvislosti s nepředpokládanými vlivy). Zahraniční prameny uvádějí při komplexním uplatnění digitalizace v oblasti automobilovém průmyslu až 40% úsporu času předvýrobních etap, 15 - 20% úspory času ve vlastním výrobním a montážním procesu, 10 - 15 % úspory nákladů, 30 % zkrácení doby potřebné pro zavedení výrobku na trh. Obdobná čísla mohou platit i pro další průmyslová odvětví. Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 22 Neexistence komplexních počítačových podpor ve výrobních a projektových organizacích především pro projektování výrobních systémů. Podobná je i situace v oblasti digitalizace , rapid prototypingu a reverzního inženýrství, pro kteréžto oblasti nemají malé a střední podniky potřebné vybavení. Česká republika je v rámci EU postavena do situace, kdy harmonizuje, jako nový člen všechny relevantní požadavky, ale přispívá novými pohledy na řadu problematik, i z hlediska světových požadavků na obory. Vzhledem ke globalizaci řízení kvality a metrologie jsou požadavky jasně definovány. Úkolem je celosvětově tyto požadavky neustále aktualizovat v závislosti na dosaženém pokroku. Důvody pro záměr jsou tedy dány a je naším úkolem je v rámci možností naplňovat Očekávané výsledky - vize V oblasti obrábění a montáže budou práce navazovat na současné výzkumné a vývojové činnosti katedry technologie obrábění, orientované na progresivní technologie obrábění, vývoj odpovídajících nástrojů a přípravků, strategií a optimalizací řezného procesu a moderních prvků montáže. S vývojem nových progresivních konstrukčních materiálů souvisí i výzkum jejich obrobitelnosti. Výsledkem výzkumu a vývoje bude optimalizace pracovních režimů nových řezných nástrojů v souvislosti s předpokládaným nástupem nových konstrukčních materiálů v technické praxi umožňující: Úspora strojních výrobních časů: 15-30% Úspora přípravných výrobních časů: 20-35% Snížení nákladů na výrobu požadované přesnosti a kvality výrobků: 10-15% Snížení celkové energetické náročnosti výroby Zvýšení spolehlivosti procesu obrábění Snížení ekologické zátěže V oblasti technologické přípravy výroby (TgPV) vybudování datově a softwarově propojených spolupracujících výzkumných laboratoří pro jednotlivé oblasti cyklu PLM s pracovním označením Digitální fabrika (podnik). Laboratoře FST by měly být obsahově zaměřeny a špičkově HW a SW vybaveny v oblastech: Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 23 tvorby výrobku projektování výrobních procesů projektování výrobních systémů ergonomie a techniky prostředí facility management, recyklace projektové řízení motivace, kvalifikace a rekvalifikace pracovníků pro oblast digitálního podniku metody sledování a ovlivňování nákladů, výkonnosti, produktivity, atp. Velká pozornost bude věnována datovým formátům a propojením jednotlivých modulů digitálními a digitalizovanými daty. V krátkodobé perspektivě realizovat funkční vědeckovýzkumné pracoviště schopné reagovat i na nekonvenční požadavky průmyslu a úzce spolupracující na VaV programech ostatních pracovišť FST. Vybudování expertních laboratoří obrábění a montáže, automatizace a NC techniky, technologického projektování, řízení kvality a metrologie. Dlouhodobá perspektiva /vize (10 až 15 let) Hlavním záměrem výzkumu a vývoje bude zejména posílit konkurenceschopnost a význam univerzitních pracovišť a firem v regionu NUTSII v podmínkách Evropské Unie. Výsledky výzkumné činnosti prvotně pomohou snížit výrobní náklady a zvýšit produktivitu a kvalitu strojírenských výrobků, druhotně pak přispět ke zvýšení technické vzdělanosti absolventů inženýrského a doktorského studia. Analýza SWOT Silné stránky Tradice výzkumu a vývoje v daném oboru Zájem odběratelů - firem Rozvinutá spolupráce s firmami na společných projektech MPO Spolupráce se zahraničními technickými univerzitami Rozvinutá spolupráce v rámci pracovišť ZČU (především FST, FAV a NTC) Tým zkušených akademických výzkumných pracovníků (ovšem nepočetný) Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 24 Potenciál diplomových a disertačních prací Potenciál nových lidských zdrojů – doktorandi národní program politiky jakosti v ČR národní podpora metrologie v ČR Slabé stránky Nedostatečný počet akademických výzkumných pracovníků Chybí samostatní výzkumní pracovníci Jazyková vybavenost Vedení doktorandů! Komunikace a informovanost v rámci pracovišť ZČU Velká roztříštěnost a různorodost pracovních činností jednotlivce Motivace Řeší se projekty menšího rozsahu, které nezahrnují mzdy, pouze odměny Finanční motivace doktorandů a pracovníků chybějící infrastruktura nebyla snaha o pochopení oborů (QM a M) malý důraz (nebo žádný) na individuální výzkumné aktivity nedostatky ve financování absence konkrétních požadavků firem Příležitosti Rozšíření možností spolupráce (konkurenceschopnost) s tuzemskými a zahraničními univerzitami Zapojení do finančních programů EU Rozšíření možností spolupráce s tuzemskými strojírenskými podniky operační programy VaVpI, VpK zavedení účinného marketingu potřeby odběratelů obecně potřeby dodavatelů automobilového průmyslu potřeby neustálého vzdělávání potřeby zahraničních partnerů a investorů Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 25 Ohrožení Nedostatek výzkumných pracovníků Nedostatečně finanční zdroje pro pracovníky Přesunutí klíčových firem na východ Globální evropská krize Ztroskotání konceptu dlouhodobého rozvoje Stagnace vývoje ekonomiky v ČR a EU nedostatek financí, plynoucí z metodiky politika vlády a na ně navazujících orgánů Ohrožení perspektiv pozitivního vývoje v oblasti technologických disciplin je možno spatřovat ve skutečnosti, že prosperující podniky vlastněné cizím kapitálem budou mít i nadále snahu finančně podporovat výzkum především v mateřských zemích. Je možné rovněž přepokládat, že vliv současných hospodářských potíží USA se promítne do zpomalení růstu HDP v Evropě, a tím následně i do snížení prostředků vydávaných na výzkum. Jiné nebezpečí vyplývá z očekávaného odlivu výroby a klíčových technologií na východ. Tyto faktory mohou výrazným způsobem ovlivnit příliv finančních prostředků, a tím i příchod kvalifikovaných pracovníků, přístrojového a strojového vybavení katedry Stav v zahraničí a v ČR Témata uvedená v této oblasti jsou na různé úrovni řešena na všech podobně zaměřených katedrách technických vysokých škol v tuzemsku. Úroveň dosahovaných výsledků na KTO v této oblasti patří rozhodně mezi lepší průměr. Některé výsledky , zejména problematika víceosého programování NC strojů a tvorba víceosých postprocesorů jsou špičkové. Ve srovnání s obdobným pracovištěm na Univerzitě Dortmund, Darmstadt, Stuttgart, Metz je úroveň výsledků citelně nižší. Naopak je v této oblasti naprosto srovnatelná s výsledky na I.N.S.A. Lyon, Universität Magdeburg, Universität Miskolc. V oblasti obrábění probíhá výzkum v obdobné podobě na všech strojírenských fakultách v ČR. Mezi katedrami technologie obrábění a výzkumnými centrem RCMT v Praze existují v současné době úzké vztahy a na celé řadě problémů existuje i spolupráce. V evropském měřítku jde o mnohonásobnou konkurenci, FST ZČU spolupracuje z hlediska zahraničních partnerů s TU v Magdeburgu a Dortmundu. Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 26 Technologické projektování je v zahraničí realizováno různými společnostmi, jako hlavního partnera lze spatřovat firmu Projecteam, Innovative Fabrikplanung und -steuerung GmbH & Co. KG, Werksstraße 15, 45527 Hattingen a HALLE (Germany), která využívá pro projektovou činnost SW Fastdesigen. Výzkumná spolupráce se zahraničím je částečně problematická vzhledem k poněkud odlišnému systém výrobní dokumentace. Spolupráce ostatními školskými a výzkumnými pracovišti v ČR – žádné z nich neřeší tuto problematiku komplexně. Z odborných publikací ve světě vyplývá, že řízení kvality je jednoznačně preferovanou oblastí, neboť zkušenosti nejúspěšnějších podniků dokazují právě díky ní nebývalý růst efektivity – prostě nedělají zbytečnosti a tím šetří. Na metrologii ve světě jsou vynakládány velké prostředky, do výzkumu a realizací aplikací, neboť je prostředkem optimalizace kontrolních činností při prevenci a sledování produkce. Důraz v zahraničí je kladen na statistické zpracování dat a práci s takto získanými poznatky. V ČR to není pravidlem, spíše je snaha o minimalizaci výše zmíněných činností, neboť „nepřinášejí přidanou hodnotu“! Předpoklady Připravenost KTO má v současné době v oblastech A, B a D (viz.1.1.1) nepočetný, ale dostatečně kvalitní mladý vědecký potenciál, který je schopen řešit výzkumné úkoly v oboru. V oblasti technologické přípravy výroby (C) chybí je situace nedostačující a je nutné tuto oblast významně posílit. Pro další rozvoj lze odhadovat nutnost vychovat dva až tři mladé zapálené výzkumné pracovníky. Navýšení potenciálu o potřebný počet osob se předpokládá postupně ze zdrojů absolventů ZČU, zejména pokračování inženýrských a doktorandských studií. Vzhledem k tomu, že se celkově nebude jednat v uvedeném případě o jednorázové, okamžité navýšení současného stavu, je toto doplnění z vlastních zdrojů zcela reálné. Na druhou stranu je v současné době hlavním problémem zajistit pro tyto pracovníky dlouhodobě motivačně finanční a pracovní podmínky. Jednoznačným ukazatelem je nelichotivý poměr mezi počtem dokončených a přijatých doktorandů. Z výše uvedených důvodů je připravenost velmi labilní a nedostačující. Z hlediska infrastruktury je připravenost v rámci ČR průměrná, v rámci EU podprůměrná. Za dostatečné je možné považovat úroveň spolupráce pracovišť ZČU i s externími pracovišti v regionu (Gühring, Hofmeister, SKO-TOOLS, ŠKODA Výzkum, ŠKODA POWER, SHM Šumperk; apod.). Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 27 Užití Katedra KTO se v regionu profiluje jako konzultační a školící středisko průmyslových podniků i průmyslových škol strojních. Působí zde rovněž v roli výzkumné instituce v oblasti strojírenské technologie a automatizace výrobních procesů. Zařízení pro monitorování technologického chodu výrobních strojů a ochranu řezných nástrojů před poškozením,byly instalovány celkem v osmi podnicích tehdejší Československé republiky.Pro závod Hutě ,tehdejšího k.p.Škoda byl vyprojektován „Poloautomatický stroj na obrušování velkých odlitků“, pro Západočeskou krajskou správu lesů byl vyprojektován a ve vývojových dílnách školy vyroben „Automatický stroj na výrobu obalovaných sazenic lesních stromků“. Na oba tyto stroje bylo autorům uděleno autorské osvědčení vynálezu. Pro podnik KOVOSVIT Sezimovo Ústí a.s.byl pro mezinárodní veletrh obráběcích strojů EMO Paříž 1999 vypracován NC program pro pětiosé frézováno oběžného kola turbokompresoru. Pokud by se stal zázrak a mohli bychom nějakým způsobem pracovat na vývoji měřicích metod a nástrojů řízení kvality, budeme spolupracovat s BI Praha, ISQ Praha, ČSJ Praha, VŠB Ostrava a desítkami výrobních podniků na aplikacích jejich potřeb Dopady Výsledky a dopady se projeví těchto základních oblastech: - úsporou energie ve výrobních procesech optimalizací strategie úběru materiálu obráběním - zkracováním a zrychlováním procesních řetězců využíváním moderních metod a technologií jako jsou např. HSC, HPC, digitalizace, reverzní inženýrství a rapid prototyping - zvyšováním konkurenceschopnosti průmyslových podniků v regionu tím, že jim bude poskytován vědeckovýzkumný servis ve všech výše uvedených oblastech - kvalitním vzděláváním mladých inženýrů a vědců schopných se uplatnit doma i v zahraničí Návrhy opatření Základním problémem, který bude nutno řešit je nedostatečné personální zajištění. Nutným předpokladem pro úspěšné řešení projektu je docílit toho, aby mladí absolventi doktorského studia mohli dosáhnout takového finančního ohodnocení, které by bylo srovnatelné s nabídkami z průmyslové praxe. Bude rovněž potřeba řešit absenci příslušníků Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 28 střední generace výzkumných pracovníků , tj.pracovníků s určitými životními a praktickými zkušenostmi i zkušenostmi z výzkumné praxe. Velkým problémem bude profinancování nové, velmi drahé výrobní techniky a přístrojového vybavení. Pomoc bude zřejmě nutno hledat ve společných projektech a sdružování finančních prostředků s průmyslovými podniky. Velmi perspektivní se z tohoto hlediska jeví společné projekty řešené s podporou EU. Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 29 Dlouhodobé základní směry výzkumu na KKS Charakteristika Výzkum je zaměřen na integrovanou znalostní podporu VaV tvůrčích prací a na ověřování, zlepšování a optimalizaci jejich výsledků počítačovými a experimentálními simulacemi při výzkumu a vývoji vysoce konkurenceschopných technických produktů s cílem stimulace a podpory inovačního potenciálu průmyslových podniků v této klíčové oblasti. Výzkum je proto zaměřen i na zkoumání efektivního transferu osvojených i nově vyvinutých a ověřených poznatků, nástrojů a technologií do průmyslové praxe. Vymezení Východiskem je výzkum a vývoj systému teoretických a metodických poznatků o a pro konstruování (Engineering Design Science - EDS) v obecné úrovni technických produktů (chápaných jako technické systémy - TS), který je provázán s konkretizací těchto poznatků a s dalším rozvojem speciálních poznatků (Applied Engineering Design Science – AEDS) v jednotlivých výrobkových oborech, na něž je Katedra konstruování strojů zaměřena: - výrobní stroje a zařízení se zaměřením na obráběcí a tvářecí stroje, Vymezení náplně předmětné oblasti tohoto zaměření: - vývoj a výzkum v oblasti „virtuálního prototypu“ nové trendy v konstrukci obráběcích a tvářecích strojů vývoj a výzkum v oblasti aplikací nekonvenčních materiálů ( hlavně kompozitních a sendvičových) do konstrukcí vývoj a výzkum v oblasti konstrukce nářadí, forem a přípravků výzkum a vývoj komplexních mechatronických systémů : Mech. + El. + Pn. + Hy. + Sw optimalizace částí strojů a simulace jejich chování (dynamická, modální, statická, tuhostní, únavová, ergonomická, technologická) výzkum v oblasti aplikace progresivních měřících zařízení a metodiky reverzního inženýrství (scanování, tvorba ploch, inspekce ..) konstrukce a stavba prototypů a stendů pro verifikaci vlastností technických systémů simulace výrobních procesů (tváření, obrábění, vstřikování, lití, ..atd.) simulace vlastností technických systémů (kolize, prostorové nároky, montáž, údržba, ergonomie) - Oblasti možných překryvů s návazností na předchozí zaměření - monitorování dynamických vlastností stroje při různých podmínkách – zavazbené, definice optimální podmínek pro danou kategorii strojů, zpětnovazebné systémy – plynule měnící řezné podmínky, tak, aby nedocházelo k negativním vlivům (chvění, deformace, nepřesnosti, jakost povrchu, …), výzkum možností zjištění polohy nástroje vůči obrobku – tříosé systémy, zajištění odstraňování škodlivin vzniklých při obrábění, systémy tlumení nástrojů, stavba experimentálního standu vycházející z měření na daných strojích, výzkum v oblasti ochrany funkčních ploch stroje, systémy odvodu třísek, Obráběcí stroje se zvýšenou a vysokou dynamikou. Zvyšování spolehlivosti a pohotovosti výrobních strojů. Využití laseru v obráběcích strojích. – spolupráce s NTC Automatické manipulace v technologických pracovištích a výrobních systémech. Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 30 - - dopravní technika se zaměřením na silniční a kolejová vozidla. - - Stroje nových koncepcí Komponenty strojů (zejména nosných soustav) Pohony a řídící technika Přesnost CNC obráběcích strojů Výkonnost, spolehlivost a diagnostikovatelnost CNC obráběcích strojů Analýza rizik výrobních strojů a bezpečnost strojů. Řízené vyrovnávání poklesu vodorovně výsuvných pinol Seismické vyvažování obráběcích strojů (tzv. plovoucí princip a jeho širší uplatnění ve strojích) Měřící rámy a prvky pro vyrovnávání deformací strojů Nová metoda modelování samobuzených kmitů Zdokonalování měřicích metod vlastností obráběcích strojů. Bezkontaktní měření teplot a teplotních polí objektů (strojů i staveb) infrakamerou. Bezkontaktní měření vibrací laserovým interferometrem. Dlouhodobé sledování teploty objektů (monitorování). Monitorování vibrací strojů a staveb. Měření hluku a vyhledávání zdrojů hluku. Měření délkových rozměrů laserinterferometrem. Měření přímosti obrobených součástí. Diagnostika rotorů a bezdemontážní vyvažování. Modální analýza strojů. Souběhová analýza strojů s rotujícími dílci. Komplexní vývoj tvaru a provedení nosné struktury stroje pomocí metody topologické optimalizace a metody simultánní konstrukce a MKP výpočtů. Výpočty mechanických a tepelných vlastností strojů a uzlů pomocí MKP a analytických výpočtových metod. Matematické modelování a související výpočtové práce při návrhu koncepce pohonů NC strojů v etapě projektu Konzultační činnost v oblasti regulace, pohonů a převodů, kuličkových šroubů atd., jejich dimenzování Dynamické výpočty posuvových os s kuličkovými šrouby Zpracování projektů automatizace a robotizace výrobních procesů a systémů (npř. systémy automatické výměny nástrojů nebo obrobků, mezioperační doprava apod.) Projekty a realizace laboratorních robotizovaných manipulačních systémů Návrhy a konstrukční řešení robotických koncových efektorů (chapadel) Nové trendy v konstrukci silničních a kolejových vozidel. Výzkum, vývoj, návrh a výpočty nových konstrukčních prvků ve vozidlech. Pevnost, provozní životnosti konstrukcí dopravní techniky. Aktivní a pasivní bezpečnost. Crash výpočty a jejich ověření. Výzkum nových pohonů dvojkolí, nové principy pohonu v silničních vozidlech (alternativní pohon), přenos výkonu. Ekologie v dopravní technice. Snižování energetické náročnosti dopravních prostředků. Snižování vlivu dopravních prostředků na životní prostředí. Nekonvenční diagnostika dopravních prostředků. Nové principy dopravních systémů. mechatronika, robotika, haptika - Robotika a manipulační technika pro průmyslové aplikace. Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 31 - Mobilní roboty, servisní roboty. Navigace v prostoru, sensory. Aplikace prvků umělé inteligence. Haptika v automobilovém průmyslu (Drive-by-wire). Haptika v lékařství. Magnetické uložení – magnetická ložiska, MAGLEVy, setrvačníkové akumulační jednotky, HSC vřetena s AMB. Mechatronika ve vozidlech – systémy ABS, ASR, MSR, ESP, apod. Elektronika vozidel. Aktivní prvky pro bezpečnost posádky – aktivní opěrky, airbagy, apod. Crash výpočty a experimenty. Manipulační technika s využitím pneu a hydr. mechanismů. Automatizace montážních linek. Simulační nástroje pro TKM. Na tento výzkum komplementárně navazuje osvojování a rozvoj progresivních počítačových (CA) a experimentálních (EA) nástrojů a technologií umožňujících efektivně ověřovat, zlepšovat a optimalizovat uvedené i další podpůrné speciální vědecké a odborné poznatky při výzkumu a vývoji nových technických produktů, jimiž jsou např. „Virtuální prototyping“, „Virtuální testování“ apod., které pak dále umožňují provázání s „Digitálním podnikem“. Na synergickém propojení prvé syntetizující a druhé analytické oblasti bude založen navazující výzkum a rozvoj otevřené modulární báze poznatků, která umožní uživatelsky přívětivý přístup k obecným i speciálním progresivním poznatkům, a to jak získaným, verifikovaným a validovaným tak i převzatým, které budou zásadním způsobem stimulovat a podporovat konstruování inovovaných vysoce konkurenceschopných technických produktů. Vymezení pojmů a poznatků o technickém produktu a konstrukčním procesu: Jako technický produkt je rozuměn informační výsledek konstrukčního procesu s výrazným technickým obsahem i jeho realizace, který je obecně složen z těchto čtyř heterogenních složek: hardware, software, zpracované materiály a služby Technický produkt je uvažován se zřetelem k celému jeho životnímu cyklu počínaje plánováním až po recyklaci s likvidací. Jendou z těchto fází je též konstrukční proces. Jako poznatků o a pro konstruování se rozumí jak poznatky teoretické, tak jimi podložené poznatky metodické. Obojí se pak člení na poznatky o konstrukčním procesu a o (zobecněném) technickém produktu/systému. Tyto poznatky jsou systematicky uspořádány do ‘mapy‘ poznatků Engineering Design Science - EDS. Poznatky EDS jsou rozvíjeny v synergyckých vazbách na ostatní partnerské inter- i trans-disciplinární vědní a oborové poznatky i na podpůrné a zpětnovazební počítačové a experimentální nástroje/simulace. Speciální oborové a výrobkové poznatky jsou chápány jako konkretizace obecných poznatků EDS ve shodné, příp. analogické struktuře, což zvyšuje možnosti jejich efektivního společného výzkumu a vývoje, stejně tak jako možnosti přirozeného a efektivního transferu know-how mezi jednotlivými, doposud prakticky vzájemně izolovanými oblastmi. Takto chápané teoretické a metodické poznatky EDS i jejich speciální oborové a výrobkové konkretizace se tak stávají kompatibilní se všemi dalšími úrovněmi znalostní („jednoduché“ i počítačové) podpory konstruování počínaje procedurálními („směrnicovými“) postupy, přes (stále převažující) intuitivní přístupy až po nezastupitelná hledání řešení na úrovni „pokus-omyl“. Tato komplexní integrace je klíčovým principem „Znalostně integrovaného Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 32 konstruování“ (Knowledge Integrated Design - KID), případně až „Znalostně&kompaktně integrovaného konstruování“ (Knowledge Compact Integrated Design -CID), které je již svojí podstatou „systémově intuitivním“ způsobem konstrukčního myšlení, které zásadním způsobem zvyšuje akceptovatelnost a efektivnost využití všech uvedených úrovní „znalostní („jednoduché“ i počítačové) podpory konstruování“ v běžné průmyslové praxi. Konstrukční proces je chápán jako jedna ze složek integrovaného vývoje technického produktu (Integrated Product Development) v jeho jednotlivých formách (Simultaneous Engineering, Concurrent Engineering, Collaborative Engineering, apod. ) s intenzivní podporou CA a IT technologií. Důvody Význam „metod konstrukce strojů“ (s využitím poznatků o „moderních kovových, kompozitních, keramických“ i dalších progresivních konvenčních i nekonvenčních „materiálech“ a o „pokročilých technologiích výroby a montáže“) „a jejich optimalizace prostředky simulace jejich budoucí činnosti v provozu včetně vedlejších následků, tedy pomocí virtuální reality a pokročilého experimentálního výzkumu“ nerozlučně spjatých „s technickým designem a ergonomií v širším slova smyslu (man-machine interaction – bezpečnost pasivní i aktivní, vůči uživateli i vůči okolí, komfort obsluhy i ostatní uživatele, estetika, ...)“ pro konkurenceschopné strojírenství dokládají i uvedené citace z materiálů Rady pro výzkum a vývoj k usnesení vlády ČR č. 661 ze dne 1. června 2005 o Dlouhodobých základních směrech výzkumu. Pro nesporný význam technických produktů pro rozvoj člověka a společnosti na straně jedné i pro jejich negativních dopady na společnost a životní prostředí na straně druhé, je i jejich konstruování předmětem stále intenzivnějších výzkumů. Avšak i přes značné úsilí a nespočet nabízených i počítačově podporovaných metod a metodik pro tvůrčí konstrukční práce, i nesporné škody způsobené jejich nerespektováním, je jejich využívání stále doposud nízké. Řešitelský tým Katedry konstruování strojů je v návaznosti na nejnovější trendy ve světě i na své dosavadní práce připraven přispět ke zlepšení tohoto stavu a přispět tak ke zvýšení konkurenceschopnosti nově navrhovaných a vyvíjených technických produktů. Očekávané výsledky - vize Krátkodobá perspektiva (do 5 až 10 let) Zdokonalení a prohloubení teorie znalostně&kompaktně integrovaného konstruování Bude zdokonalena a prohloubena teorie a metodika znalostně&kompaktně integrovaného konstruování se synergickým využitím poznatků ze všech zkoumaných oblastí. Bude zdokonalena a prohloubena teorie vlastností technických produktů v oblasti vnitřních i vnějších vlastností včetně jejich taxonomie. Bude zdokonalena a prohloubena teorie poznatků „Design for X“ (DfX) implementací teorie vlastností technických produktů. Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 33 Bude vypracován stručný terminologický a výkladový slovník základních pojmů z oblasti znalostně&kompaktně integrovaného konstruování v českém a anglickém jazyce Zvýšení kvality, integrovanosti&kompaktnosti a uživatelské akceptovatelnosti znalostní podpory konstruování Bude vyvinuta teorie, metody a SW nástroje báze pro vyhledávání poznatků a konstrukčních materiálů, elementárních konstrukčních struktur, a konstrukčních řešení, která optimálně vyhovují zadaným požadavkům na jejich charakteristické vlastnosti a teorie, metody a SW nástroje pro predikci vybraných vlastností navrhovaných elementárních konstrukčních struktur a konstrukčních řešení s využitím známých poznatků o vybraných třídách odpovídajících existujících řešení. Bude zdokonalena kvalita, modularita, kompatibilita a tím i integrovanost vybraných konstrukčních metod zaměřených na základní obecné činnosti tvůrčího konstrukčního procesu implementací zdokonalené a prohloubené teorie vlastností technických produktů a zvýšena jejich uživatelská přívětivost (včetně relevantních teoretických poznatků) zlepšením jak z kognitivních tak z estetických hledisek. Vybrané metody budou zpracovány včetně uživatelsky přívětivé počítačově integrované podpory Nové poznatky pro zkvalitnění komunikačního a kreativního prostředí konstruování Budou prohloubeny dosavadní a nalezeny nové poznatky o povaze, možnostech a limitech konkrétních způsobů kreativní činnosti ve vědě a technice obecně i v konstrukční činnosti speciálně, a budou uplatněny v koncepci znalostně &kompaktně integrovaného konstruování. Budou prohloubeny dosavadní poznatky a nalezeny nové prostředky a nástroje pro efektivnější způsoby komunikace, tj. zejména pro sdílení poznatků v rámci i navenek konstrukčního procesu, ale i pro kultivaci komunikačního prostředí jako stimulu dynamizujícího kreativitu a budou uplatněny v metodice znalostně &kompaktně integrovaného konstruování. Nové poznatky pro zvýšení kvality technických produktů Budou nalezeny nové poznatky „Design for X“ zaměřené na vybrané klíčové oblasti vlastností navrhovaných technických produktů a kompatibilně se systémem znalostně&kompaktně integrovaného konstruování budou systematicky a komparativně zpracovány (dobrá versus špatná řešení) včetně SW podpory pro soubory vybraných konstrukčních prvků (včetně uplatnění zkoumaných progresivních elementárních konstrukčních struktur a nekonvenčních materiálů). Budou nalezena konstrukčně aplikovatelná kriteria a měřítka pro hodnocení těchto vybraných vlastností včetně způsobu stanovení jejich vah kompatibilně s hodnocením dalších vlastností pro zahrnutí jejich výsledného vlivu na celkovou kvalitu a konstrukční konkurenceschopnost technického produktu. Poznatky budou uplatněny na souborech vybraných konstrukčních prvků pro různé skupiny uživatelů. Zahrnuta budou též kriteria ekonomická. Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 34 Nové poznatky o progresivních materiálech, elementárních konstrukčních strukturách a strojních částech technických produktů Bude vyvinuta teorie a metodika otevřené modulární „Báze poznatků o vlastnostech nekonvenčních materiálů, elementárních konstrukčních struktur (features), strojních částí a vybraných technických produktů příp. jejich částí“ (BP) pro znalostní podporu konstruování včetně softwarové podpory. Budou vybrány optimální referenční materiály, elementární konstrukční struktury (features), strojní části a vybrané technické produkty, příp. jejich části“, jejichž vybrané vlastnosti budou po experimentální verifikaci uloženy do BP. Budou vyvinuty konstrukční metody pro optimální volbu nekonvenčních konstrukčních materiálů a pro navrhování progresivních elementárních konstrukčních struktur a strojních částí z konvenčních i nekonvenčních materiálů a pro optimalizaci jejich vlastností. Budou identifikovány vhodné nekonvenční konstrukční materiály pro progresivní elementární konstrukční struktury a strojní části, budou provedeny výpočtové simulace jejich vlastností a experimentálně verifikované výsledky budou uloženy do BP. Budou vyvinuty nové progresivní elementární konstrukční struktury a strojní části z konvenčních i nekonvenčních materiálů, budou provedeny výpočtové simulace jejich vlastností a experimentálně verifikované výsledky budou uloženy do BP. Předpokládají se též uplatnění se zajištěním ochrany podle zvláštních právních předpisů. Budou shrnuty a uspořádány poznatky o referenčních i nekonvenčních konstrukčních materiálech, o referenčních i progresivních elementárních konstrukčních strukturách, o referenčních i progresivních strojních částech i vybraných technických produktech, příp. jejich částech, a výsledné poznatky budou implementovány do vyvinuté báze poznatků. Dlouhodobá perspektiva / vize (10 až 15 let) V dlouhodobé perspektivě bude hlavním předpokládaným výsledkem docílení plné integrovanosti, zkvalitnění obsahu a zvýšení uživatelské přívětivosti, s praxí kompatibilního a tvůrčí práci stimulujícího, otevřeného modulárního systému konzistentních obecných i vybraných, široce využitelných speciálních, poznatků pro účinné a efektivní konstruování konkurenceschopných technických produktů z hledisek celého jejich životního cyklu, a přispívajících i ke kvalitnějšímu řízení konstrukčního procesu, akceleraci vývojového cyklu v podnicích regionu, k vyšší kvalitě celého vývojového procesu včetně řízení jakosti i ke kvalitnějšímu navrhování procesního servisu navržených produktů. Analýza SWOT Silné stránky Oblast teorie a metodiky konstruování (EDS) a jejích aplikací (AEDS): V ČR jsme zřejmě jediným pracovištěm, které se výzkumem této problematiky zabývá (což však může být použito i jako slabá stránka, jak je uvedeno dále); Jedná se o kvalitativně novou filozofii, která stimuluje tvůrčí technickou kreativitu a je kompatibilní (na rozdíl od klasických „procedurálních“ metodik) Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 35 s dosavadními rutinními a dalšími nezastupitelnými tvůrčími postupy a přístupy zavedenými i „zakořeněnými“ v tvůrčí konstrukční praxi; Rozvíjená teorie a metodika konstruování vytváří integrující znalostní prostředí pro všechny ostatní činnosti výzkumu a integrovaného vývoje technických produktů včetně vazeb na SW integraci s podporou CA a IT nástrojů. Vybudován menší, avšak mezinárodně uznávaný tým složený jak ze starších zkušených odborníků, tak doktorandů a spolupracujících studentů Mgr. studia Úspěšné několikaleté uplatnění v konstrukčních semestrálních projektech na témata z praxe, nejlepší týmy oceněny v r. 2004 i na mezinárodní úrovni (vývojové centrum Grammer AG, Amberg SRN), v ZS 2006/07 rozšířena spolupráce o studenty z UUD, na LS 2006/07 připravován ve spolupráci s KAJ FF pilotní mezinárodní projekt se zapojením zahraničních studentů; Úspěšné aplikace v desítkách (spíše stovkách) konstrukčních projektů KKS v diplomových pracích řešených na zadání z průmyslové praxe; Narůstající zájem z průmyslu a vývoje o uplatnění výsledků výzkumu a vývoje (TOSHULIN, ŠKODA TRANSPORTATION, Autodesk, Schwarzmüller, Value, MBT, DRIESSEN, a další) i o doktorská studia na úrovni top managementu (Autodesk, SVA, ŠKODA TRANSPORTATION); Publikování výsledků výzkumu na prestižních mezinárodních konferencích (včetně spoluautorství se zahraničními autory), kontrakt na monografii tříčlenného mezinárodního autorského kolektivu (USA 2007), mezinárodní ocenění výsledků (Finsko, Švýcarsko, Německo, Velká Británie, USA); VR ZČU ocenila naše zahraniční spolupracovníky v této oblasti pamětní medailí ZČU (1997) a dvěma čestný doktoráty Dr.h.c. (1994 a 2006); Oblast konstrukčních aplikací a počítačových&experimentálních simulací (CA&EA): Bohaté zkušenosti s podpůrnými prostředky výzkumu v oblasti: - konstruování s CAD - výpočtů a simulací s CAE Zkušený tým odborníků pro testování a vyhodnocování experimentálně zjišťovaných vlastností technických produktů; Týmy studentů, doktorandů a mladých pracovníků vedených zkušenými docenty a profesory s dlouholetou praxí v jednotlivých oborech, řešící úkoly v oblastech: - konstruování - simulačních analýz - experimentálního ověřování vlastností - řízení a mechatroniky - znalostní podpory konstrukčních metod na bázi EDS&AEDS Dlouholeté zkušenosti s implementací CAx technologií ve výuce, VaV a firmách formou školení a implementačních studií; Úspěšná spolupráce s řadou průmyslových podniků při řešení konstrukčních skupin i kompletních výrobních systémů reálných technických produktů; Spolupráce s výzkumnými institucemi při řešení VaV úkolů, např. AVČR, VZLU, NTC, VCSVTT, VCKV, Fortech; Široké portfolio zvládnutých a používaných CAx systémů; Zkušenosti s aplikací progresivních metod reverse–engineeringu, který je jednou z metod umožňujících zásadní akceleraci vývoje technického produktu. Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 36 Slabé stránky Oblast teorie a metodiky konstruování (EDS) a jejích aplikací (AEDS): Propracovaná teorie a metodika je stále pro praktickou implementaci a využití málo „uživatelsky přívětivá“ („user-friendly“), a doposud nedostatečně podporována CA technologiemi; Celosvětově není doposud sjednocena terminologie; Možnost získání nedostatečné nebo i žádné podpory „protože takhle to nikdo nedělá“ („historické zkušenosti“ – např. (1) zastavení podpory vývoje zcela originálního plně interaktivního integrovaného CAE systému v 70. letech min. století – mnohokrát SW inovované nedokončené „torzo“ o cca 12. tis. programových řádkách je přitom dodnes rutinně využíváno ve ŠKODA Machine Tool a vyučováno na ZČU KKS; (2) zastavení vývoje originálního interaktivního integrovaného parametrického 3D CAE/CAD systému v 80. letech min. století – princip uplatněný až v komerčních CAD/CAE systémech další generace v 90, letech); Protože se jedná o „pouze“ o nástroje racionálního tvůrčího myšlení, výsledky se velmi obtížně prokazují. Oblast počítačových a experimentálních simulací (CA&EA): Omezení využitelnosti některých CAx systémů vyplývající z dostupné licence; Nedostatečná experimentální základna pro fyzické ověřování komplexních vlastností – statické, dynamické stendy, analyzátory, komory pro simulaci reálných prostředí atd. Nedostatečná výrobní základna pro tvorbu prototypů, testovacích vzorků a přípravků (externí výroba je nepružná, nákladná a vyžaduje relativně složité finanční i datové toky) v návaznosti na VaV v oblasti akcelerace vývojového cyklu výrobku; Souhrnně: - Doposud nekomplexní přístup k řešením v oblasti VaV; Nedostačující stimulační nástroje pro motivaci a využití potenciálu aktivních studentů ve všech formách studia; Vysoké poplatky za mezinárodní patentovou ochranu. Nízká intenzita spolupráce výzkumu a průmyslu. Nedostatek finančních zdrojů, jak investičního, tak i neinvestičního charakteru. Zaostávající kvalita přístrojového vybavení. Příležitosti Za předpokladu vybudování dostatečné kapacity v oblastech konstruování, simulací a experimentálního ověřování komplexně znalostně integrovaných na bázi EDS možnost kooperace, příp. i převzetí pokročilého vývoje a výzkumu nových technických produktů, metod postupů a technologií, a jeho koncentrace do jednoho regionálního výzkumného centra zajišťujícího komplexní poznatky pro daný obor – předpokladem je návaznost na nově vznikající oborová regionální seskupení firem – klastry; Zapojení do 7. RP; Zapojení do projektů MPO; Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 37 Generování spinoff firem pro realizaci aplikace nových technologií a produktů z výsledků VaV. Ohrožení Oblast teorie a metodiky konstruování (EDS) a jejích aplikací (AEDS): vývoj poznatků vyžaduje teoreticky fundované odborníky se značnou průmyslovou praxí, kterých je obecně na univerzitách i v praxi (u nás i ve světě) nedostatek; výsledky jsou (doposud byly) hodnoceny dvojím „metrem“, zjednodušeně řečeno: 1) pro získání státních grantů a pro měření relací s ostatními teoretičtějšími obory výzkumu: - publikacemi (a to především v impaktovaných časopisech, kterých je v tomto oboru oproti jiným teoretičtějším oborů velký deficit, u nás pak prakticky nula), - výslovně vyžadovanou (absurdní) izolací od uplatnění v průmyslu (příp. i od průmyslového výzkumu) – viz např. krácení dotací na Výzkumný záměr MSM 232100006 (VZ006) „Výzkum a rozvoj inovací, konstruování, technologie a materiálového inženýrství strojírenských výrobků“v r. 2004 ze 4581,- tis. Kč na 3671,- tis. Kč s odůvodněním MŠMT, že „jeho řešení je kromě výzkumu základního orientováno i do oblasti výzkumu aplikovaného a průmyslového“, přičemž v odpovědi MŠMT na odvolání rektora ZČU bylo konstatováno, že „to nikterak nezpochybňuje kvalitu řešení výzkumného záměru ani získané výsledky, naopak hodnotící komise i MŠMT shodně konstatují, že rozsah výsledků je značný, a oceňují i skutečnost, že získané výsledky jsou uplatňovány v praxi“. 2) pro získání prostředků na výzkum z průmyslu: - konkrétními výsledky bezprostředně využitelnými v konstrukci navrhovaných strojů, což poznatky vyvíjené jako „nástroj“ pro konstruktéry poskytnout nemohou; negativní zkušenosti s dosavadními „rigidními“ konstrukčními metodikami a směrnicemi potlačujících kreativitu tvůrčích pracovníků; setrvačnost myšlení a psychologické bariéry vůči přijímání nových poznatků (analogie s nástupem CA a IT technologií v posledních desetiletích), „když to jde i bez nich, a pohodlněji“; 40 let politické izolace odřízlo ČR od vývoje v této oblasti ve světě natolik, že se ji doposud nepodařilo překonat, odezvy na naše výsledky výzkumu v této oblasti jsou ze zahraničí velmi pozitivně oceňovány, zatímco v ČR, s výjimkou managementu ZČU a v posledních letech i FST, byla odezva doposud minimální, ne-li nulová (např. při žádostech o granty, s výjimkou výše uvedeného výzkumného záměru, z jehož prostředků však muselo být více než 80% vynakládáno na výzkum materiálový a technologický). uplatnění je závislé na orientaci průmyslových podniků v ČR (vývoj versus produkce), což je kromě národní politiky výzkumu a vývoje silně závislé i na politice nadnárodních koncernů působících v ČR. Oblast počítačových a experimentálních simulací (CA&EA): nedostatečný objem investic do oblastí CA, EA a RP (rapid prototypingu) Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 38 by znamenal faktický útlum a možný zánik VaV v oborech strojírenství v Regionu NUTSII (Plzeňsko) – zůstaly by pouze izolovaní jednotlivci nebo malé oddělené skupinky „nadšenců nad propastí“. Stav v zahraničí a v ČR Snahy o teoretickou a metodickou podporu tvůrčích konstrukčních činností (abstrahujeme-li od asistující znalostní podpory poskytované matematikou, fyzikou, mechanikou, naukou o materiálu, strojírenskou technologií apod.) se vzhledem k principiální obtížnosti znalostní podpory kreativních aktivit datují ve světě teprve od čtyřicátých, u nás až od šedesátých let minulého století. Za tuto relativně krátkou dobu prožila tato oblast dynamický, historicky doposud jen zčásti zpracovaný historický vývoj a rozvinula se v samostatnou konstrukční vědu Engineering Design Science (EDS). Současnou úroveň poznání v této oblasti nejvíce ovlivnili a ovlivňují, zejména autoři z Německa (TU Darmstadt, Berlin, Braunschweig, München), Švýcarska (ETH Zürich), Kanady (RMC Kingston), Nizozemí (Uni. Delft), Dánska (DTH Lyngby), Velké Británie (Uni. Lancaster, M. Keynes), USA (MIT Massachutes) a Japonska (Univ. Tokio). V oblasti EDS je doposud značně neuspokojivá situace v oblasti terminologické. Je to kromě relativně krátké doby existence tohoto, stále ještě vznikajícího, vědního oboru způsobeno zejména silným ovlivňováním terminologie silně diverzifikovanou praxí i paralelní existencí několika významných „světových škol“ teorie konstruování. Z minulosti jsou k dispozici pouze jedna publikovaná práce (Zürich,1980) a jedna interní (Cambridge, 1994). Ani tyto dva, ani další pokusy o řešení tohoto problému však nebyly doposud obecně akceptovány. Náš vlastní výzkum v oblasti EDS je od počátku devadesátých let min. století orientován, při plné otevřenosti k poznatkům ze všech dostupných odborných pramenů, především na pojetí reprezentované výzkumem soustředěným okolo autorské dvojice Prof. Hubka (ETH Zürich) a Prof. Eder (RMC Kingston). Jejich světově originální přístup k poznatkům EDS je specifický tím, že je důsledně budován na jimi vytvořených a rozvinutých integrujících teoretických základech Teorie technických systémů. Tím je jimi budovaný systém poznatků plně otevřený i pro poznatky z dalších uvedených i neuvedených tradičních výrazně metodicky orientovaných „škol“. Neméně významné je i to, že tento koncept umožňuje při řešení výzkumných, pedagogických i konstrukčních projektů též nezbytné využití procedurálních (metodických), intuitivních i nezbytných „pokus-omyl“ přístupů podle konkrétní situace. To tradiční porcedurální přístupy prakticky vylučují, neboť jsou převážně provázány pouze vypracovanými pravidly bez komplexního teoretického základu. Z dostupných informací vyplývá, že výzkumem komplexní problematiky EDS se v ČR již další pracoviště nezabývají. K metodám a metodice konstruování bylo vydáno několik převážně oborově orientovaných skript. Naše vlastní příspěvky ke State of the Art v EDS na národní i mezinárodní úrovní dokládají zejména knižní publikace, počínaje překlady do českého jazyka a editace mezinárodně publikovaných sborníků, na něž navázalo vlastní originální teoretické zpracování obecných poznatků EDS v oblasti strojních částí, na něž v posledních letech navázala též autorská spolupráce se dvěma výše uvedenými profesory na řadě příspěvků publikovaných na mezinárodních konferencích a spolupráce na monografii, která bude vydána v r. 2007 v USA. Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 39 Současnou úroveň poznání a výzkumné činnosti v oblasti EDS ve světě i u nás lze souhrnně charakterizovat tak, že stále přetrvává důraz na procedurální přístupy ke konstruování (65% ve světě, 80% v ČR), příp. na podporu vlastní konstrukční kreativity (15% ve světě, 20% v ČR). Jen malá část prací je zaměřena na zobecněný objekt konstruování – technický produkt/systém (5% ve světě, 0% v ČR) a na komplexní systémové pojetí teorie a metodiky konstruování (15% ve světě, 0% v ČR), pokud nejsou započteny naše vlastní práce. Poznatky EDS se na Fakultě strojní Západočeské univerzity v Plzni promítají do systémového provázání a prohloubení více než deseti konstrukčních předmětů Katedry konstruování strojů, kde byly též úspěšně uplatněny ve více než stovce konstrukčních diplomových pracích řešených pro více než třicet strojírenských podniků včetně zahraničních. Tyto poznatky se též promítly do téměř padesáti konstrukčních projektů řešených v rámci kurzů pro konstruktéry více než dvaceti průmyslových firem a zřejmě je více či méně využívají již v praxi i stovky absolventů katedry konstruování strojů. Objektivní průzkum však doposud nebyl proveden. Předpoklady Připravenost Katedra konstruování je kvalitně připravena na teoretický i aplikovaný rozvoj v dané oblasti v národním i mezinárodním měřítku týmem mladých pracovníků vedených zkušenými odborníky s bohatou výzkumnou i průmyslovou praxí: Oblast teorie a metodiky konstruování (EDS) a jejích aplikací (AEDS): Skupina – obecné a speciální teorie, metodiky a báze poznatků: Garanti: Hosnedl, Krátký, Heller 14 akad. pracovníků (2 Prof., 6 Doc., 3 Ph.D. 3 Ing.) / 4000 hod/r.: (Hosnedl, Krátký, Heller, Borusíková, Duník, Hlaváč, Hudec, Kemka, Krónerová, Mazínová, Němec, Staněk, Steiner, Vaněk), 10 doktorandů (Barták, Chval, Kidorová, Kormoš, Kubec, Pergler, Reif, Souček, Srp, Vojna), 3 externí pracovníci (Houba, Křivanec, Šmauz) Oblast počítačových & experimentálních simulací (CA&EA): Skupina – virtuální & fyzický prototyping a báze poznatků: Garanti: Hynek, Lašová, 4 akad. pracovníci (1 Doc., 2 Ph.D., 1 Ing.) / 2500 hod (Hynek, Lašová, Čermák, Tengler), 10 doktorandů (Chromec, Kosnar, Kuda, Raab, Votápek, Žídek, Bartoň, Dráb, Matoušek, Spal), 1 externí pracovník (Řehounek). Skupina – virtuální & fyzické testování a báze poznatků: Garanti: Formánek 2 akad.pracovníci/ 500 hod (2 Ph.D.) (Křížek, Formánek,), 1 externí pracovník (Žlábek). V oblasti infrastruktury je katedra relativně kvalitně vybavena v oblasti počítačové techniky, nedostačující je však vybavení v oblasti software, experimentální techniky, virtuálního i rapid prototypingu a další výrobní techniky pro výrobu experimentálních vzorků, modelů a prototypů. Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 40 Užití Výsledkem budou nové teoretické a metodické poznatky a technologie, které budou uplatňovány: Publikováním na prestižních mezinárodních konferencích a workshopech, v odborných časopisech, a knižních publikacích tak jako doposud; Školením, vzdělávacími a kvalifikačními kurzy; Poskytováním ověřených obecně využitelných poznatků formou báze poznatků; Poskytováním speciálních poznatků vzniklých řešením zadaných výzkumných projektů; Řešením zadaných aplikačních projektů, nebo spoluprací na externích projektech; Mezi hlavní současné partnery v uvedených oblastech patří zejména: Buzuluk Komárov, Driessen Aerospace Plzeň, ENGEL Kaplice, ENSINGER INTOS Žebrák, Kovosvit MAS Sezimovo Ústí, Naretec Plzeň, Nexans autoelectric Plzeň, Olbrich-CZ Plzeň, Robert Bosch Č. Budějovice, Rotas strojirny Rotava, Škoda Machine Tool Plzeň, SVA Holýšov, Škoda STEEL Plzeň, Škoda Těžké Strojírenství Plzeň, Škoda Transportation Plzeň, Škotools Plzeň, TOSHULIN Hulín, Tyros Engineering Plzeň, Valeo Praha, Value Engineering Services Plzeň, Witte Nejdek, Murtfeldt Plasty Praha. Potenciální odběratelé výsledků výzkumu: Borgers, Leer, HP Pelzer, MB Tech, Happich, Ideal Automotive, Smart Tech, SWA, Škoda Auto, Škoda MT, Konplan, Hutchinson, MDS, Unitool, Pattern HG, CZ LOKO a.s., BONATRANS a.s., Lostr a.s., Louny, Auto Projekt centrum, SKD TRADE a.s., IGE – CZ s.r.o., Pars – komponenty s.r.o., Dako - CZ … Dalším výsledkem budou nové užitné vzory a patenty. Dopady Dopady projektu se projeví zvýšením konstrukční jakosti a konkurenceschopnosti navrhovaných technických produktů jak průřezově ve všech oblastech. Tak ve vybraných oblastech, což přispěje zejména: k úspěšnosti národního hospodářství ke zlepšení stavu životního prostředí ke spokojenosti, zdraví i životů nás všech. V literatuře se např. uvádí, že konstrukce ovlivňuje na výsledném produktu: jakost až z 90% využití materiálů z 80% jednotkové výrobní náklady z 60% režijní náklady z 20% Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 41 Tyto a řadu další přínosů lze však kvantifikovat velmi obtížně, nicméně jsou plně prokazatelné a kvantifikovatelné nepřímo, a to nezřídka i na katastrofických dopadech způsobených vlivem konstrukčních nedostatků a chyb technických produktů, případně i pouze jejich nedostatečnou/nedomyšlenou „konstrukční robustností“ oproti předvídatelným i nepředvídatelným vnějším i vnitřním vlivům v celém jejich životním cyklu. Návrhy opatření Finance - odhad podpory s uvedením zdrojů: - účel: přístroje 2007 – 2013 (viz přílohy) - částka: cca 120 mil Kč (- „ -) - zdroj: Operační program ERDF (European Regional Development Fund) „Výzkum a Vývoj pro Inovace“ - částka na VaV na KKS ze státního rozpočtu v roce 2007: 639 tis Kč - částka na VaV na VCKV ze státního rozpočtu v roce 2007: XXXX tis Kč - částka na VaV na VCSVTT ze státního rozpočtu v r. 2007: XXXX tis Kč Výstupy (odhad) - ročně: - patenty a průmyslové vzory - ÚPV: - prototypy: - knižní a časopisecké publikace: - vznik spin-off firmy 1-2 4 2 0-1 Pracovní místa (nárůst celkem/ženy) po ukončení projektu : - - 8/1 - VaV pracovníci noví – v letech 2009-2011 (2,2,3) 2/0 – THP– v letech 2008-2011 (2,0,0,0) 3,5/0.5 - VaV pracovníci stávající KKS XX/XX – VaV pracovníci stávající VCKV (na KKS) XX/XX – VaV pracovníci stávající VCSVTT (na KKS) Platy , kvalifikace(znalosti) : 50 tis. kč - VaV pracovníci – náklady na plat odpovídající v roce 2007 kvalifikace – 2 CAD systémy, +(mathlab, adams, mathcad,...) věk do 35 let, Ing +PhD 40 tis. kč - THP– náklady na plat odpovídající v roce 2007 50 tis. kč - VaV pracovníci stávající KKS kvalifikace – 1 CAE systém a 1 CAD system věk do XX let, Ing + PhD XX tis. kč - VaV pracovníci stávající VCKV (na KKS) kvalifikace – 1 CAE systém a 1 CAD system věk do 35 let, Ing +PhD XX tis. kč - VaV pracovníci stávající VCSVTT (na KKS) kvalifikace – 1 CAE systém a 1 CAD system věk do 35 let, Ing +PhD Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 42 Dlouhodobé základní směry výzkumu na KKE Charakteristika Zvyšování účinnosti, spolehlivosti a životnosti vybraných tepelně proudových zařízení nebo jejich důležitých částí. Experimentální a numerické řešení bude zaměřeno na: organický Rankinův cyklus (ORC) s výzkumem vlivu vlastností pracovního media na parametry cyklu.– nosné téma. proudění v transsonické turbíně (PTT) s přetlakovým a rovnotlakým lopatkováním, prouděním vybuzené vibrace (aeroelasticita) v energetice včetně rotorových soustav experimentální simulace tepelných a proudových jevů využívající vzduchovou a vodní smyčku, numerické modelování procesů v energetice. moderní měřicí metody v proudění, sdílení tepla, termodynamice a aeroelasticitě. První čtyři body programu vyžadují vybudování sofistikovaných zkušebních zařízení a využití případně modernizaci stendů stávajících. Všechny složky výzkumu budou mít přínos jak badatelský tak praktický pro výrobce a provozovatele energetických zařízení s výsledným přínosem finančních úspor. Práce mají přímý nebo nepřímý dopad na životní prostředí. Vymezení Organický Rankinův cyklus s výzkumem vlastností pracovního media Jádrem výzkumu bude zvyšování užitných parametrů organického Rankinova cyklu na bázi realizovaného zařízení o výkonu zhruba 1,2MW umístěného v budoucí laboratoři. Technologie procesu je založena na principu uzavřeného organického Rankinova cyklu, jehož pracovní látkou jsou vhodně zvolené organické látky. Zařízení je finálně určeno zejména k využití nízkopotenciální a odpadní tepelné energie pro výrobu elektrické energie. Reprezentuje i ekonomicky zajímavou technologii pro decentralizovanou výrobu tepla a elektrické energie z biomasy. Výzkum se bude prioritně zabývat zvyšováním konverze vstupní tepelné energie na elektrickou energii, celkové tepelné účinnosti a provozní spolehlivosti cyklu, což znamená zvyšovat účinnost a kvalitu důležitých komponent. Jmenovitě je třeba studovat, optimalizovat a testovat: 1. Uspořádání cyklu v závislosti na parametrech zdroje a propadu tepla (mocnost a teplotní hladina, změna parametrů v čase), druhu aplikace a způsobu provozu atd. 2. Koncepci turbíny s cílem dosáhnou max. termodynamické účinnosti v celém pracovním rozsahu. 3. Konstrukci teplosměnných aparátů ( výparník, rekuperátor, kondenzátor) 4. řízení pracovního cyklu a jeho regulace; 5. alternativní tepelné stroje měřením nebo výpočtem jejich účinnosti; 6. vibrace snižující pevnost a životnost komponent. Proudění v transsonické turbíně Dosavadní malá subsonická vzduchová turbína v laboratoři katedry KKE bude buď doplněna nebo zcela nahrazena transsonickou variantou turbíny s hlavním kompresorem o příkonu 1,3MW a pomocným kompresorem 0,4MW. Experimentální základna se tak rozšíří o Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 43 výzkumná měření do nových oblastí, které se dosud nemohou realizovat. Při tom jsou výzkumné programy na vzduchové turbíně ZČU a na parních turbínách závodu ŠKODA POWER koordinované a vytvářejí tak základnu pro rozvoj oboru. Experimentální a doprovodné výpočtové práce na nové turbíně by měly vést ke zlepšení spolehlivosti parních turbín při dosažení maximální termodynamické účinnosti a zkvalitnit výchovu nové generace odborníků. K tomu je zapotřebí zaměřit se zejména na tyto výzkumné úkoly: 1. u dvoustupňové varianty turbíny sledovat tlakové pulsace na jednotlivých úsecích lopatkování a proměřit nestacionární charakter proudění, porovnat výsledky měření s výpočty; 2. prověřit vliv nadbandážového těsnění a nerovnoměrného rozložení parciálního ostřiku na dynamickou stabilitu rotoru; 3. modelovat působení dýzových segmentů v axiálním a radiálním provedení na ztráty ve stupních a jejich vliv na dynamické namáhání lopatek a rotoru; 4. zaměřit se na efekty transsonického profilování při nevýpočtových režimech; 5. zkoušet nové možnosti snižování okrajových ztrát vhodným 3D tvarováním lopatkového kanálu, včetně odsávání mezních vrstev; 6. zkoumat vliv drsnosti povrchu na okrajové ztráty pro různé štíhlosti stupně; 7. porovnat účinnost rovnotlakých a přetlakových stupňů; 8. u vícestupňových alternativ sledovat vliv osové vůle na účinnost; 9. posoudit různé vazby lopatek, disku či bubnu a bandáže na jejich dynamické namáhání při změně počtu a rozměrů rozváděcích lopatek; 10. pomocí CFD modelovat různé proudové stavy a napomáhat k hledání optimálního řešení. Prouděním vybuzené vibrace (aeroelasticita) Stávající aerodynamické tunely katedry KKE jsou zaměřené na prouděním vybuzené vibrace zavazbených soustav jakými jsou trubky výměníků tepla a lopatky turbostrojů. Tyto úkoly, řešené experimentálně i numericky se stoupající mírou obecnosti, by měly být doplněné vyšetřováním dynamiky rotorové soustavy. Praxe poslední doby ukazuje potřebu vytvořit stend, který by umožnil sledovat komplexní působení všech silových účinků na stabilitu provozu celé rotorové soustavy turbostroje. Jednalo by se o nové experimentální zařízení, které by umožnilo výzkum aeroelastických jevů na modelu rotoru turbostrojů. Výzkumné úkoly tohoto zaměření jsou: 1. řešit stabilitu tekutinově vázaných trubek a lopatek výpočtově při uvažování nelinearity a s orientační podporou experimentu ; 2. řešit stabilitu trubek a lopatek výpočtově při respektování aerodynamické i mechanické vazby a s experimentálním ověřováním v aerodynamickém tunelu; 3. modelovat aerodynamické poměry na nadbandážových ucpávkách a sledovat případný vliv na dynamické chování rotorové soustavy; 4. testovat vliv asymetrického uspořádání parciálního ostřiku na budící síly;. 5. hledat možnosti tlumení u nestabilních provozních režimů rotorového systému; 6. provádět verifikaci výpočtů dynamického chování rotoru; 7. modelovat jevy vzniklé při rubbingu; 8. umožnit vývoj bezdotykových snímačů a indikátorů tlakových pulsací pro dlouhodobý provoz při provozních teplotách v parních turbínách. Experimentální simulace tepelných a proudových jevů Jedná se o experimentální řešení různých úkolů z proudění a sdílení tepla, jaké požadují na univerzitě řešit různé podniky regionu, zejména ty menší bez vlastního výzkumného vybavení. Základem by měla být pro pneumatická zařízení vzduchová smyčka a pro kapalná Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 44 media vodní smyčka. Zařízení sestává z tlakového zdroje, měřicího prostoru a komponent pro řízení vlastností v měřicím prostoru, které pracují dle volby v uzavřeném nebo otevřeném okruhu. Výzkumné úkoly mohou být dle požadavků velmi rozmanité experimentální simulace proudových a tepelných jevů typu: 1. studie přestupů tepla u nových pracovních látek jaderných zařízení; 2. modely palivových článků nových druhů jaderných reaktorů; 3. nejrůznější výměníky plyn-plyn, kapalina-plyn, kapalina-kapalina; 4. tepelné trubice a vírové trubice pro specifická použití; 5. procesy ve filtrech, separátorech, automobilových katalyzátorech apod.; 6. vodní turbíny a části vodních elektráren malých výkonů; 7. modelování proudění ve ventilech a jiných regulačních orgánech; 8. kalibrování elektronických a pneumatických měřidel v proudění. Numerické modelování proudových a tepelných procesů Numerické řešení proudově-tepelných problémů provádíme řadu let. Tato složka výzkumu se přirozenou cestou rozvoje počítačů, numerických technik a programů rozvíjí, nabývá a bude nabývat stále větší důležitosti, protože lze zvládat již velmi složité geometrie s nejednoduchými okrajovými podmínkami a vlastnostmi pracovního media . Je třeba však mít experimentální ověření výsledků, což platí o současnosti i budoucnosti. Výzkumné úkoly bude nutné jako dosud řešit dvoukolejně: experimentem vyšetřit vybrané případy jevu a počítačem pak vyřešit varianty. Neboli vymezení problematiky v předchozích statích pro výzkum proudově tepelných zařízení zvládaných měřením platí také pro numerické modelování. Numerického modelování vyžaduje pořízení výkonných počítačových klastrů a specializovaných programů, při čemž hardware lze sdílet s uživateli dalších programů náročných na výpočetní výkon. Podle použití by měly být k dispozici: 1. CFD programy vhodné pro simulace proudění, sdílení tepla a chemických reakcí; 2. Programy pro simulace tepelných cyklů a jejich optimalizace; 3. Optimalizační programy; 4. Programy pro simulace dynamické interakce pevné a tekuté fáze. Moderní měřicí metody v proudění, sdílení tepla, termodynamice a aeroelasticitě. Řada měřicích metod v mechanice tekutin, sdílení tepla a aeroelasticitě je tak specifická, náročná a finančně nákladná, že vyžaduje zvláštní péči a specializovanou obsluhu. Zejména, když budeme požadovat, aby některá měření probíhala nejen v laboratorních podmínkách, ale přímo na průmyslových zařízeních buď u výrobců nebo provozovatelů. Rozvíjet by se měly především bezdotykové, tj. optické nebo ultrazvukové metody: 1. měření rychlostních polí v plynech laserovou anemometrií, především metodou PIV (Particle Image Velocimetry); 2. měření rychlostních polí a průtoků kapalin ultrazvukovými metodami; 3. měření nestacionárních jevů v proudovém poli filmovými a pneumatickými čidly; 4. měřicí metody pro oblast aeropružnosti založené na využití mechatroniky; 5. Další progresivní metody měření proudového a teplotního pole. Důvody Důvodů pro řešení vybraných problémů energetických zařízení je řada: Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 45 Především badatelské důvody vedoucí k poznání podstaty jevů vyskytujících se v energetických zařízeních (organický Rankinův cyklus, transsonická proudění v turbíně). Poznání podstaty pak umožňuje zařízení lépe konstruovat a efektivněji provozovat. Požadavky výrobních závodů v České republice vůbec a v Západočeském regionu zvláště (výpočtové a experimentální řešení dílčích i komplexních nedostatků jejich výrobků). Pomoc provozovatelům některých proudově tepelných zařízení v ČR při zvyšování a zlevňování produkce (např. proměřením nebo kontrolním výpočtem funkce jejich strojů). Výchova technické a vědecké inteligence na vysoké úrovni, která se naučí pracovat s nejmodernějšími prostředky ať výpočetními nebo experimentálními. Vytvoření akceschopného kolektivu výzkumného střediska s náležitým vybavením pro obor proudění, sdílení tepla a aeroelasticitu, schopného řešit jak dlouhodobé vědecké úkoly tak naléhavé požadavky výzkumného charakteru z průmyslu. Očekávané výsledky - vize Krátkodobá perspektiva (do 5 až 10 let) výstavba, provoz a optimalizace organického Rankinova cyklu o výkonu cca 1,2MW; studie vlastností ORC a podle nich doporučení pro výrobce a provozovatele; výstavba a provoz transsonické turbíny; výpočtové a experimentální studie proudění v různých částech transsonické turbíny (lopatkování, dýzy, ucpávky atd.), optimalizace konstrukčních komponent, doporučení pro výrobce; vyřešení a potlačení proudem vybuzených vibrací zavazbených prvků v energetických zařízeních při respektování nelinearit na straně tekutiny; výstavba modelové rotorové soustavy pro vyšetření aeropružnostních jevů a jejich testy při měněných okrajových podmínkách; zvládnutí zviditelňování proudění a proměřování turbulentních rychlostních polí bezdotykovými metodami; řešení výzkumných úkolů zvládnutelných výpočtově a experimentálně na postavené vzduchové a vodní smyčce; výpočtové práce mohou být zaměřené na radiaci při extremně vysokých teplotách jaké jsou při jaderné fúzi. Dlouhodobá perspektiva / vize (10 až 15 let) práce na zlepšování organického Rankinova cyklu při přechodu na paliva z obnovitelných zdrojů jako je biomasa nebo bioplyn; pokračování experimentálních a výpočtových prací na proudových prvcích transsonické turbíny a přenášení výsledků do konstrukce turbíny s nadkritickými vstupními parametry; v oboru prouděním vybuzených vibrací zavazbených soustav respektovat nelinearity jak na straně tekutin tak na straně pružných těles; zabývat se komplexní aeroelasticitou rotorových soustav turbostrojů využitím postaveného fyzikálního modelu, výsledkem by měla být eliminace vibrací strojního celku; zapojit se do některého dílčího úkolu vývoje termojaderné fúze (ITER), např. do problematiky chladicí soustavy reaktoru. Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 46 Analýza SWOT Silné stránky zkušenost kolektivu lidí na katedře KKE s výzkumem prováděným již řadu let jak experimentálně tak numericky; stávající slušné experimentální vybavení bude kontinuálně a systematicky doplňováno a nahrazováno aparaturami nových generací; mnohé úkoly je možné řešit ve spolupráci s jinými domácími nebo i zahraničními partnery (Univerzita Marseille, Trinity College v Dublinu, Univerzita v Lodži, Ukrajinská akademie věd v Kyjevě – ústav Problem pročnosti, MEI Moskva); podporu a svým způsobem záštitu máme v největším výrobci energetických zařízení v ČR v závodech ŠKODA POWER a ŠKODA JADERNÉ STROJÍRENSTVÍ, s nimiž výzkumné záležitosti koordinujeme; zájem o naše výzkumné práce je jak u dvou zmíněných podniků, tak u dalších firem regionu i mimo něj (např. TTS eko Třebíč, ATMOS Chrást, ŠKODA TRANSPORTATION Plzeň aj.); integrujeme badatelský výzkum s aplikovaným, který má vždy praktické aplikace; Slabé stránky malá kapacita výzkumného týmu katedry KKE; nepatrný zájem generace dnešních studentů o technické obory, energetiku zejména; v budoucnu bude určitý problém s infrastrukturou budovaných laboratoří, např. v areálu ZČU není dostatečný elektrický příkon; výuka na ZČU není orientovaná na výchovu špičkových, technicky zdatných inženýrů Příležitosti rozvíjením ekologické problematiky ve formě organického Rankinova cyklu, později vytápěného biopalivy, se otevře možnost zapojení do Evropských programů typu 7. rámcového programu EU; dále jsme a v budoucnu můžeme být vtaženi do grantových projektů MPO, jejichž hlavními řešiteli jsou spolupracující podniky (např. na vývoj nadkritické turbíny). Ohrožení v současné době je největším problémem personální obsazení katedry, nedostatek doktorandů a malý zájem o studijní obor Energetika. dalším problémem jsou finance pro rekonstrukci stávajících a stavbu nových, poměrně finančně i energeticky náročných zařízení. ohrožení programu může způsobit nedostatečně dimenzovaná místní elektrická síť a její koncová zařízení, protože provoz transsonického zkušebního zařízení si vyžádá příkon kolem 1.7MW (naproti tomu ORC by dodávalo do sítě kolem 1.2 MW). Stav v zahraničí a v ČR Na území Evropské unie aktivně pracuje celá řada špičkových pracovišť zaměřených na experimentální a počítačové modelování problémů v oblasti energetiky, mechaniky tekutin, termomechaniky a aeropružnosti. Mezi instituce, které spolupracují Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 47 s nejvýznamějšími výrobci lopatkových strojů, patří Univerzity v Aachen, v Zurichu, ve Stuttgartu, Von Karmanův Institut pro dynamiku plynů v Bruselu, výzkumná pracoviště IRPHE v Lyonu, Paříži a řada dalších. Z oblasti jaderné energetiky jmenujme alespoň výzkumný ústav CEA (Commissariat a l’Energie Atomique), jehož význam v celosvětovém měřítku významně vzrostl po rozhodnutí vybudovat pokusný termojaderný reaktor ITER na území Evropské unie (CE Cadarache, Francie). CEA v současné době vyzývá všechna akademická pracoviště v Evropě ke spoluúčasti na řešení fyzikálních a technologických problémů v oblasti jaderné fůze. Ve zmíněných institucích se intenzivně pracuje na metodách optimalizace partií energetických strojů a jejich experimentálním a počítačovém ověření. Dále se řeší například problematika zplyňování uhlí, optimalizace termodynamických cyklů, vodíkového hospodářství, přestupů tepla v nových typech reaktorů (reaktory pro jadernou transmutaci) a plno dalších proudových a tepelných jevů týkajících se nejen energetického průmyslu, ale také leteckého, automobilového atd. Co se aeroelasticity týče, špičková pracoviště zaměřená na energetiku jsou v Trinity College v Dublinu, DLR Goetingen, IPP Kiev, IPMAŠ Charkov, s nimiž máme vesměs navázané kontakty a užší nebo volnější spolupráci. Práce vedou ke zklidnění chodu strojů odstraněním vibrací a hluku, k prodloužení životnosti a zkvalitnění životního prostředí. Předpoklady Připravenost Personálně počet akademických pracovníků na katedře KKE odpovídá platným zvyklostem na univerzitách, z hlediska počátku vytýčeného výzkumného programu je stav poddimenzovaný: 2 profesoři, 1 docent, 5 odb. asistentů, 2 externí profesoři, 1 externí docent a další 4 externí pracovníci. Ještě horší je jednak pohled na věkovou strukturu pracovníků, jednak na jejich orientaci na výzkum či výuku. Prezenčních doktorandů je momentálně na katedře KKE celkem 7, kombinovaných 23. Doktorandi kombinovaného studia z převážné většiny pracují v podnicích regionu a těžko lze s nimi počítat pro plánovaný výzkumný projekt. Velmi dobrá připravenost je materiální – máme k dispozici řadu výzkumných stendů, z nichž většina se uplatní v plánovaném projektu. Vysoký potenciál výzkumu má katedra ve výpočtové oblasti. Je dán zkušeností personálu, programovým a hardwarovým vybavením. Užití Výsledky výzkumu využijí výrobci energetických i jiných zařízení s proudově-tepelnými problémy, např. ŠKODA POWER Plzeň, ŠKODA TRANSPORTATION Plzeň, ŠKODA JADERNÉ STROJÍRENSTVÍ Plzeň, TTS eko Třebíč, ŠKODA AUTO Mladá Boleslav, ATMOS Chrást, BOSCH České Budějovice, ČEZ ve svých elektrárnách aj. Přímými partnery, s nimiž bude výzkum koordinován bude ŠKODA POWER, TTS eko a ŠKODA JADERNÉ STROJÍRENSTVÍ. Dopady Z hlediska finančního: pokud se zrealizuje Rankinův cyklus i transsonická turbína, na níž má zájem ŠKODA POWER, pak cyklus bude do sítě dodávat cca 1,2MW výkonu a turbína naopak bude asi 1,7MW odebírat. K deficitu nedojde, pokud na turbíně se budou dělat kratší měření, což je pravděpodobné, a cyklus bude mít naopak delší kampaně. V takovém případě by zařízení mohlo i vydělávat. Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 48 Hluk by neměl pronikat do okolí budovy laboratoře, malá chladicí věž, jakých jsou v zemi tisíce, ovlivní čistou vypařenou vodou prostředí nepatrně. Zařízení lze využít nejen pro výzkum, ale i pro výuku studentů a vzdělávání občanů. Návrhy opatření Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 49 Dlouhodobé základní směry výzkumu na KMM Charakteristika Materiálové inženýrství tvoří základ veškerých nadstavbových činností v oblasti konstruktérské, technologické, uživatelské i provozní. Oblast materiálového výzkumu a zkušebnictví nalézá široké uplatnění ve veškerých oblastech vědy, výzkumu, podnikání i pedagogiky až po hodnocení kvality produkce na vstupu a výstupu z podniku. Tradiční široké uplatnění nalézá v oblastech optimalizace volby materiálových variant a aplikovaných technologií, hodnocení spolehlivosti a bezpečnosti provozu, rozbor příčin výrobních i provozních poruch. Nalézá široké uplatnění jak v případě tradičních objemových materiálů, ocelí, plastů, keramik, cermetů, laminátů, komponovaných materiálů atd. , tak v oblasti povrchového inženýrství. Představuje základ znalostní pyramidy, ze kterého se odvíjí kvalitní, bezpečné a spolehlivé konstrukce s optimálními užitnými a ekonomickými vlastnostmi ve všech stádiích jejich života. Dokonalé zmapování mechanických, technologických a fyzikálních vlastností konstrukčních materiálů umožňuje navrhovat a efektivně vyrábět součásti s vysokými užitnými vlastnostmi, u nichž je záruka plnění optimálních provozních požadavků po celou dobu projektované životnosti a u nichž je zároveň již ve stádiu konstrukce a uvedení do provozu položen kvalifikovaný základ pro hodnocení všech event. provozních potíží a poruch včetně kvantifikace zbytkové životnosti konstrukce v situacích, kdy projektová životnost je vyčerpána. To může přinést významné národohospodářské efekty např. v případě provozovaných energetických zařízení. Rovněž aplikace moderních materiálů, moderních technologií a progresivních povrchových úprav představují široké pole působnosti pro rozvoj materiálové destruktivní i nedestruktivní diagnostiky. Moderní vybavení materiálových zkušeben tak představuje pozitivní vklad do všech dalších činností projektantů, konstruktérů, technologů i uživatelů. Ve svém souhrnu znamená významné zefektivnění všech navazujících činností a procesů s dopadem do sféry ekonomiky, efektivnosti, konkurenceschopnosti a bezpečnosti. KMM se bude přednostně a dlouhodobě orientovat do následujících oblastí: a) b) c) d) progresivní materiály ( zejména pro energetiku a dopravní techniku ), povrchové inženýrství ( zejména pro oblast obrábění a tváření ) progresivní technologie ( v oblasti tváření a svařování ), materiálová chemie, nanomateriály a nanotechnologie. Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 50 Těžištěm činnosti jednotlivých oddělení bude koncentrovaná odborná činnost zaměřená do uvedených prioritních tématických oblastí s cílem vytvořit fundované odborné zázemí na světové úrovni - pro výchovu studentů všech stupňů, - pro spolupráci v oblasti VaV na nejvyšší odborné úrovni s ostatními katedrami FST a ZČU, - pro spolupráci na řešení projektů na národní i mezinárodní úrovni a - pro spolupráci a kooperaci s komerční sférou v regionálním, národním i mezinárodním měřítku. V těchto oblastech bude KMM přednostně vyvíjet vlastní odbornou činnost na základě rozvoje jednotlivých oblastí v evropském a světovém měřítku a bude spolupracovat s ostatními katedrami ZČU a dalšími subjekty uvnitř i mimo ZČU, včetně účasti v národních a mezinárodních projektech. Uvedená nosná témata nevylučují vytipování dalších progresivních směrů a oblastí, které přinesou nové poznatky ve vědě, výzkumu a technice, a naopak také útlum a potlačení směrů, které se ukáží být v budoucnu již překonané. V oblasti „Progresivní materiály“ budou vyvíjeny, studovány a osvojovány materiály vznikající aplikací moderních technologií ( např. TRIP oceli, oceli pro turbiny s nadkritickými parametry, nové typy žárupevných ocelí pro výrobní energetická zařízení s nadkritickými paramery a konstrukčními aplikacemi umožňujícími zvýšit jejich účinnost, kompoyitní materiály a nanomateriály atd. ). Bude rozvíjena spolupráce v oblasti databázových projektů umožňujících šíření nových poznatků v rámci regionu působících firem, tvorby podkladů pro hodnocení zbytkové životnosti konstrukčních materiálů po dlouhodobém působení provozních podmínek atd. V oblasti „Povrchové inženýrství“ bude podporována spolupráce na vývoji a studiu vlastností tenkých vrstev. Budou studovány vlastnosti a aplikační možnosti tenkých vrstev se zaměřením na obráběcí a tvářecí nástroje, součásti (např. lopatky) parních turbin a další aplikace umožňující zvýšení užitných, výkonových a životnostních charakteristik součástí a konstrukcí. Rovněž budou studovány multifunkční vrstvy pro sklo a keramiku a aplikace v dalších progresivních oblastech. Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 51 V oblasti „Progresivní technologie“ budou základními směry a cíly výzkumu m.j.: zjemňování mikrostruktury nízkolegovaných ocelí s cílem dosažení vyšších mechanických charakteristik, příprava a vývoj nových technologií obtížně tvářitelných materiálů, tváření materiálů za snížených teplot, tváření velmi malých součástí v tixotropním stavu, tváření kapalným mediem v oblasti „rapid prototyping“, v oblasti svařování bude věnována pozornost novým metodám svařování nestejnorodých materálů, tenkých plechů, vysokopevných ocelí apod. V perspektivním oboru „Materiálová chemie a nanomateriály“ budou studovány a rozvíjeny progresivní metody výzkumu a aplikací nanomateriálů a nanotechnologií v technických, ekologických, medicínských i dalších směrech. Kromě těchto odborných směrů tvořících těžiště odborné činnosti KMM budou na katedře pěstovány a cílevědomě rozvíjeny tzv. „horizontální aktivity“, jejichž charakteristickým znakem je možné široké propojení s výše uvedenými čtyřmi nosnými odbornými tématy a další široké obecné uplatnění v řadě vědecko-výzkumných aktivit dalších kateder ZČU i mimo ni v projektech a komerčních aktivitách. Odborní pracovníci jednotlivých oddělení zapojení do řešení hlavních nosných témat v rámci svého oddělení tak mohou formou projektového řízení být zapojeni i do jednotlivých odpovídajících horizontálních aktivit, kde tak dojde k cílenému propojení s pracovníky ostatních oddělení KMM, FST a ZČU, popř. s jinými institucemi při řešení projektů, komerčních zakázek apod. Důvody Veškerá činnost konstruktérů, technologů, výrobců a uživatelů výrobků a technologií se musí logicky odvíjet od dokonalé znalosti materiálů a všech jejich rozhodujících užitných vlastností mechanických, technologických, fyzikálních, chemických atd., se kterými všichni ve vzájemně propojeném řetězci klenoucím se od myšlenky k výrobku (technologové, konstruktéři, mechatronici atd….) nadstavbově pracují, nebo alespoň využívají znalostí jinde Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 52 získaných, archivovaných, db zpracovaných atd. To je možné v případech, kdy se jedná o materiály dostatečně „zmapované“, klasické, ověřené dlouhodobým užíváním, zkoušením atp. To samozřejmě nemůže platit v situacích, kdy se snažíme aplikovat materiály nové, progresivní, kdy je dokonce vyvíjíme a kdy samozřejmě neexistují žádné nebo jen minimální, limitované a krátkodobé zkušenosti s jejich používáním v konstrukcích a v konkrétních provozních podmínkách, natož aby existovaly rozsáhlé db údaje, dlouhodobé zkušenosti popř. i standardisované údaje. Podle četných zkušeností nelze stoprocentně vycházet ani z materiálových standardů, protože konkrétní vlastnosti materiálu, např. oceli, se liší značnou měrou podle chemického složení konkrétní tavby, tepelného zpracování, velikosti výkovku, odlitku a také v rámci jednoho výkovku a odlitku podle konkrétní lokality, protože v různých místech jednoho odlitku nebo výkovku existují rozdíly v chemickém složení (v limitech daných normou), dochází ke strukturním odlišnostem v důsledku odlišného stupně protváření, různých ochlazovacích rychlostí v lokalitách odlišných tlouštěk atp. Znalost konkrétních vlastností konkrétních výrobků je cenou devizou umožňující zpřesnit dimenzování konstrukčních částí. Současně se materiály odlišují odezvou na dlouhodobě působící provozní podmínky, kterými jsou zejména dlouhodobá teplotní exposice (creep), cyklické namáhání (únava materiálu, která je mimo jiné odpovědná stále i dnes za 80 – 90% provozních poruch/lomů), radiace, koroze atd., a kombinace všech výše uvedených vlivů. Dalším podstatným faktorem, který ovlivňuje funkčnost, spolehlivost, bezpečnost a životnost součástí a konstrukcí jsou konkrétní provozní podmínky. Zatímco základní mechanické vlastnosti uvedené v materiálových standardech se obvykle týkají pouze přísně definovaných podmínek zatěžování, které je nutné dodržet ve zkušebnách při jejich měření, jsou konkrétní konstrukce vystaveny rázovému nebo cyklickému zatěžování, vysokým nebo naopak nízkým teplotám, to vše v případech reálných konstrukčních prvků, kde se konstruktér nemůže vyhnout konstrukčním a technologickým vrubům vyvolávajícím víceosou napjatost vedoucí opět ke změně chování materiálu ve srovnání s mechanickými vlastnostmi uvedenými ve standardech (pokud tyto vůbec existují). V dnešní době je proto velká a stále rostoucí poptávka po konkrétních materiálových mechanických vlastnostech, jejichž znalost umožňuje precizovat výpočty spolehlivosti a dlouhodobé životnosti, chování materiálů při nestandardních provozních podmínkách, vysokých teplotách (energetika), vysokých rychlostech deformace (crashové situace u dopravních prostředků), odhady stupně degradace materiálových vlastností a výpočty zbytkové životnosti součástí a konstrukcí atd. atp. Výzkum vlastností materiálů tak tvoří fundament všech dalších nadstavbových aktivit (technologie, konstrukce, mechatronika….), které tvoří vědomostní základ inženýra: Výzkum progresivních technologií (tváření, svařování, lepení..) Výzkum vlastností progresivních materiálů včetně povrchového inženýrství Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 53 Vzájemná vazba mezi těmito obory je samozřejmě dvoucestná, materiálové inženýrství poskytuje základní informace, z nadstavbových aktivit by naopak přicházely impulsy pro obor materiálu, jakým směrem a do jakých oblastí se orientovat. Stále rostoucí význam nabývá oblast povrchového inženýrství. Zde je třeba rozdělit zájem do několika směrů. Jedním je predikce vlastností na základě stávajícího, popř. postupně degradujícího povrchového stavu. Dalším významným směrem je vytváření nových progresivních povrchů, které umožní dosáhnout vyšší kvality, delší životnosti, popř. nižších nákladů. Rovněž je nutné věnovat pozornost možnostem a způsobům uplatnění v průmyslové praxi povrchově ovlivněných, modifikovaných, popř. nových strojních součástí a nástrojů. Technologie. Výzkum progresivních technologií je v rámci Evropské unie otevřen běžné konkurenci, která je charakterizována celou řadou kateder či výzkumných ústavů umístěných na technických univerzitách po celé Evropě, eventuelně na ústavech, které tyto výzkumy provádějí na soukromé nebo polostátní bázi. Praxe ukazuje, že potřeba vývoje těchto technologií je neustále vyžadována, neboť s rostoucím tlakem na snižování nákladů je potřeba odpovídajícím způsobem zvyšovat kapacity pro vývoj inovativních technologií. Zároveň roste díky dynamice průmyslu i počet součástí, které musí být do detailu optimalizovány včetně vhodného výrobního technologického řetězce. Současný stav a perspektivy rozvoje oboru ve světovém měřítku obecně a v regionu speciálně ukazují, že bude nutno do budoucna posilovat výrobní technologie umožňující nízkonákladovou výrobu dílů a součástí pro užitkové a spotřební předměty. Takovéto díly, např. z kovů, je možno vyrábět technologiemi, které daným součástím poskytnou nejen potřebný tvar ale i finální vlastnosti. Kombinace tvaru a finálních vlastností bude i v budoucnu vytvářet důležitý komplex a společně s novými hospodárnými výrobními postupy posílí konkurenceschopnost výrobků na trhu. Kromě materiálových a technologických nákladů bude potřeba v budoucnu zaměřit pozornost i na snižování energetické náročnosti výroby. Tento trend je zřejmý z důvodu nejen ekonomických, ale také ekologických. Moderní výrobní postupy budou vyžadovat vytváření nových netradičních technologických řetězců. Tyto mohou být pospojovány jak z klasických technologií, tak i z nově vyvinutých technologií, které v současné době ještě nejsou ve stavu současné techniky. Základní směr výzkumu by měl vhodným způsobem integrovat veškeré vhodné procesy založené na deformaci materiálu, změnách jeho struktury, a vést k ovlivňování jeho technologických, konstrukčních a užitných vlastností. Využití pevnostních a deformačních vlastností konstrukčních materiálů v technologických procesech bude zkoumáno jednak s cílem vyvíjet nové technologie v oblasti tváření a obrábění. Uvedené technologie jsou založeny na využití deformačních schopností klasických i moderních materiálů a zahrnují veškeré procesy týkající se tváření a obrábění, eventuelně jejich modifikací, přičemž je zpravidla vhodné v průběhu technologického procesu vhodným způsobem modifikovat materiálové vlastnosti s cílem, aby proces probíhal v optimálním rámci technologického okna a zároveň po ukončení procesu bylo dosaženo potřebné struktury a tedy i finálních materiálových vlastností. Tyto výzkumy musí být založeny na co nejhlubším poznání komplexu materiálových vlastností, které musí být odpovídajícím způsobem v širokém rozsahu zkoušeny a rozvíjeny. Celý systém musí být schopen integrovat další progresivní technologie založené na jiných materiálových principech, např. možnostech aplikace progresivních povrchových technologií, Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 54 moderních technologiích spojování materiálů, technologiích strukturovaných materiálů např. materiálů kompozitních, atd. vytváření funkčně Vzhledem k tomu, že hlavním tématem oboru je zpracování především kovových materiálů procesem plastické deformace, je předpoklad, že se aplikovatelnost výsledků nebude ani do budoucna snižovat, a navíc v dlouhodobém vývoji lze očekávat využití zcela nových výrobních konceptů a dnes dosud neznámých technologií. I nadále však bude uvedený obor nutný pro rozvoj klasických oborů, kterými jsou například elektroenergetika, těžké strojírenství, dopravní technika a dalších oborů, bez kterých se ani v budoucnu rozvinutá společnost nemůže obejít. Bude rovněž potřeba zabezpečit rozvoj dosud neexistujících oborů včetně miniaturizace, nových pohybových systémů atd. Výsledky a výstupy budou přímo i nepřímo zaměřeny na tři hlavní linie: zvýšení užitné hodnoty produktu od návrhu přes realizaci, použití až po recyklaci, zlepšení technologických a mechanických vlastností produktu, vývoj nových technologických a materiálových konceptů s minimalizovaným vlivem na životní prostředí. Z globálního pohledu podpoří výsledky výzkumu základní koncept udržitelného rozvoje společnosti při současném snižování intenzity vlivu člověka na životní prostředí. Očekávané výsledky Krátkodobá perspektiva (5 až 10 let) Materiálové inženýrství - Vybudování špičkového efektivního materiálového výzkumu objemových materiálů a povrchových vrstev odrážejícího potřeby rozvoje nadstavbových aktivit v oblasti progresivních technologií, moderního konstruování, mechatroniky a všech relevantních aktivit souvisejících s řízením moderního průmyslového podniku. - Vybudování špičkového materiálového zkušebnictví odrážejícího celosvětové vědecko-výzkumné a vývojové trendy a potřeby ZČU a dalších pracovišť a podniků v regionu, event. i v širším měřítku. - Výzkum a vývoj progresivních metodik hodnocení vlastností moderních progresivních a netradičních konstrukčních objemových materiálů a povrchových vrstev, jejich aplikace na vývoj a optimalizaci moderních technologií a konstrukcí. Zavádění osvědčených metodik do Code of Practice, podpora standardizace. Spolupráce na mezinárodní úrovni. - Výchova studentů, doktorandů a mladých odborníků, spolupráce na poli materiálového inženýrství, podpora aplikace nových materiálů a technologií, spolupráce se širokou inženýrskou, konstruktérskou, uživatelskou a vědeckovýzkumnou komunitou v regionu, v České republice i v EU. - Sjednocení Materiálového výzkumu do jediné organizační jednotky umožňující racionální a efektivní využití investic a lidských zdrojů včetně snížení provozních nákladů. Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 55 Technologie - Navázat na činnost stávajícího Výzkumného centra tvářecích technologií, které pracuje na nejmodernějších směrech v oblasti tváření a vývoje materiálů, a jehož fungování je zabezpečeno finančně i personálně do konce roku 2009. - Bude vyvinuta a zdokonalena řada nových technologií a inovativních konceptů pro zpracování materiálů a výrobu součástí. - Dojde k posílení výzkumné platformy, která může být dále rozvíjena v souladu s orientací nejen zpč regionu, ale bude schopna reagovat i na globální potřebu výsledků vývoje. Již v současné době jsou některé aplikace, či jejich prvky využívány celosvětově. Například se jedná o technologie umožňující znovu využití některých speciálních materiálů, technologie přinášející nové koncepty využití ocelí pro speciální aplikace nebo výrobu materiálů pro průmysl zpracovávající jaderný odpad atd. V současnosti je vyvíjena řada dalších nových konceptů včetně optimalizace některých prvků pro automobilový průmysl. Perspektivní jsou rovněž procesy získávání ultrajemnozrnných materiálů, a s tím spojené dosud nevyužívané materiálové vlastnosti. Dlouhodobá perspektiva / vize (10 až 15 let) Materiálové inženýrství - Vybudování renomovaného pedagogického a vědecko-výzkumného pracoviště v oblasti materiálového inženýrství v ZPČ regionu s celoevropským, resp. celosvětovým renomé v oblasti komplexního „know-how“ (zahrnujícího objemové materiály, povrchové úpravy a technologie) materiálů pro energetiku, dopravní techniku, výrobní stroje a řezné nástroje. - Široká účast v národních a mezinárodních projektech a dalších aktivitách nadnárodního charakteru. Cílevědomé posilování posice Materiálového inženýrství na ZČU v mezinárodním měřítku. - Široká, cílevědomá a strukturovaná spolupráce s komerční sférou při řešení výrobních a provozních problémů Technologie - Lze očekávat, že se objeví nové systémy řízení a monitorování procesů, zcela nové koncepty strojů - zejména s využitím poznatků z elektroniky a senzoriky, flexibilizace výroby, či použití nových fyzikálních principů strojů na bázi např. aktuátorů atd. V současné době jsou již na pracovišti pro dlouhodobý rozvoj v tomto směru na úrovni ideové zpracovávány nové myšlenky a koncepty. Celá řada těchto konceptů je směřována zejména do oblasti miniaturizace ovšem právě s ohledem na současné efektivní získání složitých tvarů, zároveň vynikajících materiálových vlastností, tak i přesnosti výroby a povrchové kvality produktů. - Takovéto aplikace se stanou nanejvýš aktuálními v okamžiku, kdy dojde k dalšímu urychlení rozvoje predikované miniaturizace. Budoucnost tohoto oboru je spojena i s rozvojem ostatních oblastí vývoje regionu, např. miniroboty nového typu budou muset být vybaveny miniaturními pohonnými jednotkami, budou muset být vybaveny schopností zabezpečit si sami energii, či tuto energii efektivně uchovat a hospodárně ji využívat. Řada prvků pro takovéto stroje budoucnosti, které jsou v současnosti na úrovni vizí, bude muset být vyrobena pomocí nových nekonvenčních dosud neznámých technologií, která však budou stejně jako dnešní technologie využívat mechnaických fyzikálních a dalších vlastností kovových a nekovových materiálů. Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 56 Stav v zahraničí a v ČR Zahraniční podniky využívají výzkumu soustředěného do národních (veřejných, často při univerzitách, i soukromých) nebo nadnárodních (soukromých) výzkumných institucí sídlících zpravidla v levnějších lokalitách mimo hlavní města, postupně se sdružujících do konsorcií v rámci sítí, účelových sdružení atp. Oba druhy těchto institucí využívají evropskou i lokální podporu. Koncentrovaný výzkum využívá synergií mezi obory (např. energetické - dopravní stroje, letecké – automobilové konstrukce, využití mikroelektroniky). V rámci evropského výzkumného prostoru se již rozbíhají projekty založené na technologických platformách, tedy sdruženích zainteresovaných účastníků, kteří sami vytvářejí budoucí výzkumný program a projekty, jež se budou ucházet o státní podporu. Tyto snahy motivuje klesající konkurenceschopnost evropského průmyslu vůči americké a dálněvýchodní konkurenci, daná jak rostoucí úrovní výzkumných i technologických kapacit konkurentů a jejich rychlosti reakce na měnící se požadavky různých trhů, tak (zejména v případě východní Asie) nižšími osobními náklady na výzkum. Materiálové inženýrství V evropském prostoru je v posledních letech, a bude tomu i do budoucna, věnována intenzivní pozornost sjednocení tradičních metod hodnocení užitných vlastností konstrukčních materiálů do formy jednotných, celoevropsky platných postupů event. standardů s cílem odstraňovat postupně a cílevědomě překážky evropského obchodu. V evropském prostoru dotuje Evropská komise řadu projektů (Rámcové programy EU) zaměřených do této oblasti. Dále existuje řada aktivit pod patronací Evropské společnosti pro integritu konstrukcí ESIS a dalších institucí. V rámci technických komisí ESIS jsou např. připravovány návrhy nových pracovních postupů a metodik týkajících se netradičních materiálů, netradičních zkušebních postupů netradičních pracovních/zkušebních podmínek atd. Velká pozornost je věnována zkouškám miniaturních zkušebních vzorků. Matematické simulace chování materiálů, konstrukčních komponent i celých konstrukčních celků vyžadují znalost materiálových charakteristik stanovených za co nejpřesněji definovaných podmínek odpovídajících podmínkách, ve kterých daná součást, konstrukce pracuje. (Např.: Při simulacích crashových situací není možno používat materiálové vlastnosti převzaté z materiálových standardů, protože ty jsou měřeny při idealizovaných laboratorních podmínkách, pomalých rychlostech zatěžování atd., zatímco řada konstrukčních materiálů mění podstatně mechanické vlastnosti v závislosti na rychlosti deformace.) Předpoklady Připravenost Podíl prostředků získaných ze zapojení do národních a mezinárodních projektů roste. Úspěchem bylo získání výzkumného centra VC Tvářecích technologií. Zkušenosti získané z programu Výzkumná centra prokazují možnosti sdružení výzkumných kapacit při spolupráci na konkrétních tématech. Roste zapojení do mezinárodních programů výzkumu a vývoje, především u komplexních oborů (letecký, automobilový průmysl, informatika, materiálové inženýrství). Vytvoření potřebného investičního zázemí by mělo přispět i ke zvýšení konkurenceschopnosti vlastního výzkumu ve smyslu získávání dalších evropských finančních prostředků. Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 57 Materiálové inženýrsví Kvalitní personální obsazení, kvalitní know-how, zapojení do národních i mezinárodních projektů, spolupráce uvnitř FST, ZČU i s externími pracovišti (ŠKODA Výzkum, ŠKODA POWER, Škoda Transportation, Škoda Welding, SKO-TOOLS; Hofmeister; HVM Plasma, LISS Rožnov, ČVUT Praha, UJV a.s., UFM Brno, Výzkum Vítkovice a další), v oblasti standardizace intensivní spolupráce s Českým standardizačním institutem (TNK 64), spolupráce v rámci komisí Evropské společnosti pro integritu konstrukcí ESIS, zapojení do národních projektů (GAČR, MPO), do mezinárodních projektů (XPECTION, MATE.O.D., FITNET), spolupráce s řadou zahraničních organizací a institucí (Imperial College, London, Royal Military School of Science, UK, MPA Stuttgart, BAM Berlin, Fraunhofer Institut Freiburg, Fraunhofer Institut Karlsruhe/Pfinztal, TECNATOM, Madrid, Politechnika Milano, ASCAMM, Barcelona, aj.). Velký počet kvalitních doktorandů a jejich postupné zapojování do pedagogické a VaV činnosti. Kvalitní vybavení v oblasti metalografie, fraktografie a tenkých vrstev. Nové investice a know-how v oblasti mechanického zkoušení a tvářecích technologií-VC. VaV aktivity v oblasti nanomateriálů. Užití V rámci tzv. „horizontálních aktivit“ KMM vybuduje jednotný a komplexní materiálový servis - „Materiálové laboratoře“ KMM bude realizovat vlastní výzkum a odbornou činnost ve výše uvedených oblastech progresivních materiálů, povrchových vrstev a technologií, a současně (s ohledem na odborné znalosti a přístrojové vybavení) bude zajišťovat pedagogické aktivity a materiálový servis, poradenskou a expertní činnost (t.zn. vše, co souvisí s identifikací materiálů, výzkumem jejich vlastností, možnými a vhodnými aplikacemi, a měřením jejich mechanických, technologických a dalších vlastností) pro další subjekty FST, resp. ZČU (případně celého ZPČ regionu). Cílem bude vybudování univerzálních centralizovaných laboratoří a zkušeben pro zajištění aktivit v oblasti zkoumání mechanických, metalografických, fraktografických a dalších charakteristik konstrukčních materiálů jakožto integrovaná podpora pedagogických, výzkumných, vývojových a produkčních aktivit v rámci FST, ZČU a ZPČ regionu včetně podpory vlastní účasti i účasti dalších subjektů ZČU v rámci účasti v národních a mezinárodních projektech VaV. Cílem bude zajištění kvalitní, kvalifikované a odborně aktuální podpory pedagogického procesu výchovy studentů a doktorandů, vlastního výzkumu prováděného v rámci KMM, dalších kateder FST, ZČU ( i podniků ZPČ regionu ), a zajištění odborných materiálových informací a poradenství pro jednotlivé katedry FST ( ZČU, jiné subjekty ZPČ kraje ) a spolupráce na VaV projektech národních i mezinárodních. Předpokladem je vybudování moderních výukových, zkušebních a vývojových laboratoří v oblastech - zkoušení základních mechanických ( a technologických ) vlastností progresivních konstrukčních materiálů - zkoušení vlastností konstrukčních materiálů za podmínek opakovaného (cyklického) namáhání, což je typické pro většinu reálných součástí a konstrukcí, zejména v dopravní technice („únava“) - zkoušení vlastností za zvýšených teplot, což je typické pro součásti a konstrukce v energetickém průmyslu („creep“) Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 58 - zjišťování vlastností progresivních povrchů metalografie a fraktografie tepelné zpracování, moderní technologie rozvoj moderních metod tváření slévárenství a jeho progresivní technologie svařování, aplikace moderních svařovacích metod atd. mechanická dílna, brusírny, přípravna výbrusů atd. Výstavba odpovídajících experimentálních pracovišť/zkušeben bude obsahovat následující vzájemně propojené a spolupracující jednotky: 1. Mechanická dílna ( dělení materiálu, výroba zkušebních těles, výroba jednoduchých zkušebních přípravků atd.) 2. Mechanická zkušebna ( základní mechanické vlastnosti, statické a rázové zkoušky tahem, tlakem a ohybem hladkých i vrubovaných zkušebních těles, měření odpovídajících materiálových mechanických charakteristik, lomová houževnatost při statickém i rázovém namáhání atd.) 3. Zkušebna únavy (cyklické zatěžování zkušebních tyčí a součástí, měření rychlosti šíření trhlin atd.) 4. Zkušebna vysokoteplotních vlastností (creep, dlouhodobá pevnost, relaxace, strukturní stabilita) 5. Laboratoř metalografie a fraktografie ( přípravna vzorků, optická a elektronová mikroskopie, nedestruktivní zkušební techniky atd.) 6. Chemická laboratoř ( chemické rozbory kovových i nekovových/organických materiálů a povlaků ) 7. Zkušebna vlastností povrchových vrstev 8. Laboratoř výzkumu a aplikace svařování 9. Laboratoř moderních metod technologie tváření 10. Laboratoř moderní metalurgie Poznámka: V současnosti jsou jednotlivé laboratoře a zkušebny v oblasti materiálového výzkumu a zkušebenských činností dislokované a roztříštěné jak v rámci KMM, tak na dalších jednotlivých katedrách, fakultách atd., což přináší duplicitní náklady na investice, provoz, údržbu a ověřování zkušební techniky, strojů a přístrojů, personální náklady atd. při současném nedostatečně intensivním využívání a provozování techniky nad rámec morální životnosti, nemožnost včasné obnovy a investic atd. Cílem je vybudovat centrální kvalitní a kvalifikované pracoviště na světové úrovni, které by plnilo potřeby fakulty i univerzity v oblasti výuky, vědeckovýzkumné činnosti kateder, spolupráci na řešení národních i mezinárodních projektů i v komerční a vývojové spolupráci se subjekty mimo ZČU. Dopady Modernizace přístrojového vybavení, zkušebních strojů a další investice nepředstavují ekologickou zátěž. Nové investice budou vyžadovat intenzivní aktivity v komerční sféře a při získávání dotací z národních a mezinárodních projektů. Personální zajištění Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 59 KMM předpokládá plynulou obměnu a doplňování stavu pracovníků katedry kvalitními absolventy doktorského studia v souladu s potřebami při řešení projektů a komerčních zakázek. Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 60 Dlouhodobé základní směry výzkumu na KPV Charakteristika Neustálý vývoj techniky přináší stále nové poznatky transformované do moderních technologií, zařízení i metod práce. Vyvstává zde ovšem otázka, zda je člověk schopen reagovat na požadavky, které nové činnosti či nová technika vyžadují, a zda bude schopen vykonávat obsluhu daného zařízení. V případě, že dojde k nesouladu mezi požadavky technologie na její obsluhu a ke schopnosti zaměstnanců vstřebat požadované kvantum informací, vede tento stav k přetížení člověka, k jeho únavě či dokonce k celkovému kolapsu s možným zdravotním poškozením člověka. Tomu se ovšem většina vyhlášek, zákonů a norem omezujících a upravujících pracovní podmínky snaží zabránit a doporučují řadu možností jak zvyšovat výkonnost výrobního systému bez ohrožení zdraví zaměstnanců. Pokud si představíme všechny etapy a kroky integrované do životního cyklu výrobku (Product Lifecycle Management – PLM), vidíme, jak dlouhá cesta je od první idei k realizaci výrobku na trhu, kolik kroků je nutné projít a kolik úskalí překonat. Určení vlivu a náročnosti na odstranění negativního následku v různých částech životního cyklu výrobku, který propočítává jak bude finančně náročné odhalení koncepční chyby v jednotlivých etapách životního cyklu výrobku. Při vývoji nového výrobku se často začíná od základního nápadu, kdy (pokud nejde pouze o jednoduchou inovaci předchozího typu), obvykle nejsou k dispozici přesná konstrukční data. Na tuto fázi formování základní myšlenky pak navazuje předvývojová fáze, kdy již existují první data o výrobku. V případě, že se budou navazující práce od konstrukce výrobků, přes technologickou přípravu výroby až po plánování výroby a realizaci produkčního systému realizovat prostřednictvím standardních metod, bude jakákoliv změna v koncepci výrobku představovat opětovnou realizaci všech etap. Z těchto důvodů je v dnešní době nutné realizovat všechny etapy od konstrukce výrobku s využitím moderních nástrojů. To předpokládá realizaci digitálního prototypu sloužícího zejména k designérským a marketingovým studiím. Výhodou je, že případné změny digitálního modelu jsou levné a rychlé a po výběru optimální varianty lze již přistoupit k detailnějšímu modelování a virtuálním testům. Práce s digitálními modely je velmi efektivní především při konstrukci a vývoji složitějších výrobků, kdy jednotlivé fáze či skupiny zpracovávají různé specializované týmy. Jednotlivé součásti jsou spojovány do virtuálního prototypu, který pak umožňuje: přezkoušení rozměrových poměrů a kolizí prototypu, významné zkrácení doby vývoje, testování bez potřeby materiálu a výrobního času, snadnější reakce a zapracování změn. U digitálních prototypů (Digital Mockup - DMU) je ovšem možné simulovat nejen celkovou statickou konstrukci, ale i pohyby jednotlivých komponent blízké provozním a výrobním podmínkám. Simulace umožňuje vyhledávat možné kolize v různých výrobních situacích, dovoluje i nejrůznější nárazové testy např. při vývoji bezpečnostních prvků automobilových karoserií apod. Důmyslné a precisní softwarové produkty různých firem již dnes umožňují navrhnout a simulovat takové podmínky, v jakých se výrobní a logistické procesy budou později odehrávat ve skutečnosti. Konstruktéři a výrobní manažeři sledují a ověřují na pilotních projektech virtuální prototypy vyvinuté ve virtuální továrně a mnohá zdokonalení na navržených modelech a na následném výrobním procesu jsou prováděna jen po shlédnutí digitální projekce. Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 61 Vymezení Základní směr výzkumu je ve spolupráci s dalšími katedrami Fakulty strojní orientován na digitalizaci celoživotního cyklu výrobku (PLM) od koncepce výrobku přes etapy konstrukční přípravy výroby, technologické přípravy výroby, technologického projektování výroby a montáže, racionalizace, logistiky, průmyslového managementu, projektového řízení, údržby a revitalizace až po recyklaci nebo likvidaci. Dlouhodobě se tedy výzkum bude zaměřovat na kvalitativně vyšší formu řízení celého životního cyklu produktů využívající prvků adaptability a umělé inteligence (Smart Factory - SF). Časové analýzy • REFA, MTM, UAS, … • datové karty • kastomizace Balancování pracovišť Procesní řízení • výrobní plány • sekvence procesů • prioritní omezení Ergonomie • Kalkulační analýzy • Check listy Simulace • pracoviště jednotlivce • skupiny pracovišť • celkového layoutu • finanční ABC analýzy Řízení výroby • dispozice pracovišť • prostorové požadavky výroby • logistika a hmotné toky • celkové vyhodnocení • aplikace metod řízení výroby a řízení zásob Základním zaměřením Katedry průmyslového inženýrství a managementu je orientace na oblast technické přípravy výroby a vlastní výroby v podniku (Digital Factory - DF), včetně návaznosti na informační systémy (Digital Enterprise - digitální podnik DP). Získávání a správa dat pro tento koncept (Production Data Management – PDM) je jednou z klíčových aktivit pro tvorbu a používání integrovaného počítačového modelu produkčních procesů v podniku. Výzkumná problematika bude zásadně řešena v kontextu digitálního podniku a obsahově bude zaměřena zejména na: Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 62 A) Časové analýzy a balancování pracovišť Pracovní postup určuje časovou a prostorovou následnost vzájemného působení pracovníků, zařízení, pracovních předmětů, energie a informací a v podstatě řeší problém kdy, kde, kdo a co bude dělat. Základním článkem pracovního postupu je pracovní operace, definovaná jako souvislá práce, kterou vykonává jeden pracovník nebo skupina pracovníků na určitém předmětu nebo skupině předmětů zpracovávaných současně na jednom pracovišti. Pracovní operace může mít časový rozměr několika sekund ale i hodin a její konkrétní vymezení závisí na stupni dělby práce. Spotřebu času na pracovní úkol lze stanovit buď výpočtem z předem stanovených časových hodnot, tzv. normativů času nebo měřením. V rámci balancování pracovišť je cílem sladit činnosti na jednotlivých pracovištích tak, aby se minimálně odlišovaly od taktu linky. Jedná se o nalezení nevytížených pozic, jejich dotížení či přesunutí na jiná nevytížená pracoviště a následné zjišťování chování linky při změně taktu. B) Procesní řízení Procesní řízení představuje zmapování a následné řízení realizovaných procesů v rámci celého životního cyklu výrobku. Definují se potřebné údaje o procesech, jejich časové a finanční náročnosti, o vlastnících a zákaznících procesu, hierarchii procesu a v neposlední řadě i o metrikách aplikovatelných na daný proces. Tím ovšem hodnocení procesů nekončí. Metrikám jsou dále určeny hodnoty, které daný proces v každém aktuálním okamžiku zařazují do tříbarevné stupnice (zelená, oranžová, červená), charakterizující míru naplnění procesu. Základní tématická zaměření oblasti jsou: Analýzy výrobních procesů s identifikací hlavní funkce výrobních procesů, včetně výzkumu výrobních procesů vhodných pro plánování výroby a s identifikací vhodných procesů pro procesní automatizaci. Na základě zpětné vazby simulace výrobních procesů vytváření znalostní báze pravidel pro konstrukčně-technologický návrh výrobků s efektem minimalizace ekonomických nákladů výroby: 1) určení ekonomické hodnoty jednotlivých konstrukčních prvků a vytvoření pravidel pro ekonomicky výhodný konstrukční design, 2) určení ekonomické hodnoty technologických procesů a vytvoření pravidel pro vhodnou volbu technologie při ekonomické kriteriální funkci. Spolupráce: Nutná intenzivní spolupráce s KKS (návrh výrobku) a KTO (technologie výroby) s výsledkem plánování výroby. Digitální modeling a plánování procesů je základ pro následný proces simulace. C) Ergonomický design a racionalizační přístupy k montáži Úlohou této oblasti je zamezení limitním stavům ve výrobním procesu a přizpůsobení techniky omezením působení člověka. Technický rozvoj, centralizace a zhromadňování výroby způsobilo, že se začala vyrábět technika, která nerespektovala variabilitu člověka ať již do rozměrů, síly nebo schopností. Právě ergonomie kritizuje tento mechanocentrický přístup a prosazuje koncepčně jedině správný antropocentrizmus, tzn. - technika musí respektovat fyzické, smyslové a mentální bariéry člověka. Druhou významnou úlohou ergonomie je zaměření na výkonnost výrobního procesu realizovaného lidskými zdroji. Často je zapomínáno na fakt, že minimální změny ve výrobním procesu mohou přinést značné výkonnostní efekty. Základní tématická zaměření oblasti jsou: Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 63 Výzkum znalostní báze pro efektivní rozvoj návrhu layoutů v návaznosti na aspekty „man-machine interaction“ při respektování technologických procesů. Výzkum vlivu ergonomie uspořádání pracovišť a layoutů a získání nových poznatků pro návrh konkurenceschopných výrobních systémů při redukci či odstraňování neproduktivních a zbytečných pohybů. Výzkum algoritmu návrhu uspořádání pracovišť a layoutů s maximalizací aspektů přívětivosti k uživateli ve smyslu „zdraví a bezpečnosti obsluhy“, „maximalizace výkonu“ a ve smyslu „Function“ s důrazem na maximalizaci dosažitelnosti ovladačů funkcí ve vztahu k sexuálním, rasovým a věkovým anatomickým rozdílům včetně tyfloergonomických specifik. Hodnocení a srovnání výsledků vlivu různých aspektů na uspořádání pracovišť a layoutů. Budou hledány nové poznatky pro efektivní návrh konkurenceschopných výrobních systémů. Podmínky: Časové analýzy a balancování pracovišť jsou podmínkou pro následné ověřování řešení ergonomie pracovišť a layoutů. Bez toho nelze určit, zda nový návrh je lepší než ten původní či nikoliv. Spolupráce: Nutná participace KTO na spolupráci a ověřování ergonomických řešení a návrhů. Návrh znalostní báze pravidel pro Process Planning ve vztahu k efektivní montáži při zohlednění všech ergonomických aspektů (zdraví a bezpečnost obsluhy, maximalizace výkonu, funkce). Vytvoření třídníku montážních pozic vhodných vždy pro určitý datově specifikovaný montovaný objekt ve smyslu objemové, prostorové a hmotnostní náročnosti objektu, a ve smyslu obtížnosti montážního úkonu. Podmínky: Plná návaznost na ergonomický modul se všemi aspekty a určitou specifikací pohybů. Spolupráce: Jako u ergonomického řešení prostor je nutná participace KTO na spolupráci a ověřování ergonomických řešení a návrhů. Zásadní je zde ovšem participace KKS při konstrukčním návrhu s nutností zohlednění ergonomických prvků při montáži. D) Pokročilé řízení výroby Všechny výše zmíněné aspekty, ovlivňující výkonnost produkčního systému, mají ve své podstatě vliv na jeho design. Jsou tedy základním stavebním kamenem pro celkový návrh layoutu a rozpracování prostorových nároků výroby, skladu a expedice. Na regulaci pohybu materiálu v prostoru výrobní haly a následně celého podniku je zaměřena řada více či méně známých metod průmyslového inženýrství, které jsou integrovány do produkčních systémů s cílem dosažení štíhlé výroby. Řízení výroby ovšem nelze realizovat bez plného propojení na ERP systémy a informační zabezpečení veškerých podnikových procesů. Základní tématická zaměření oblasti jsou: Nasazení metod průmyslového inženýrství v oblasti podnikových informačních systémů vedoucích k racionalizaci produkčního systému včetně vyhodnocování efektů a přínosů jejich nasazení ve smyslu zvýšení konkurenceschopnosti. Předpokládá se propojení a nalezení závislosti mezi vstupy transformačního procesu v podobě konstrukčního návrhu výrobku a dalších zdrojů potřebných pro transformaci (materiál, energie, personální zabezpečení, technologie, apod.) na konkurenceschopnosti výsledného produktu. Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 64 Štíhlá výroba kladla důraz na minimalizaci činností, které nepřidávají výrobku či službě hodnotu, přičemž do této oblasti patří veškeré logistické operace spočívající v transportech materiálu, výrobků, odpadů, obalů či osob. Je tedy zcela zřejmé, že minimalizace transportních výkonů by měla být jednou z priorit každého subjektu nejen z důvodů snahy o zkrácení průběžné doby výroby, ale i z důvodů snížení nepřímých výrobních nákladů. Základní tématická zaměření oblasti jsou: Návrh modelů uspořádání layuotů dle technologie výroby a zpětné ovlivnění konstrukčního návrhu a technologie výroby dle možnosti uspořádání výrobního systému s cíle maximalizace efektivity a produkce systému. Spolupráce: Nutná participace KKS na ovlivnění konstrukčního návrhu a KTO na volbě technologie dle efektivního uspořádání výrobního systému. Posouzení vlivu uspořádání výrobních prostor a řešení produkčního systému na celkovou ekonomiku podniku. Hledá se odpověď na otázku: Co přinese optimalizované uspořádání výroby za efekty? Vytvoření znalostní báze pravidel: 1) prostorové náročnosti různých výrobních systémů (plochy, výšky prostor, manipulační prostory, možná až k určitým modelovým řešením poměrů výrobních a skladovacích prostorů), 2) efektivního návrhu uspořádání výrobního systému při respektování hygienických norem zdraví a bezpečnosti práce a ergonomických pravidel ve vztahu manmachine interaction. Podmínky: Využití automatizačních prvků při tvorbě layoutů a simulaci procesů a určování efektivity jejich nasazení. E) Diskrétní simulace Simulace výrobního systému umožňuje za pomoci široké škály simulačních metod odstranění technických i plánovacích chyb již před zahájením vlastního výrobního procesu. Samozřejmostí je uplatnění komplexních principů životního cyklu výrobku PLM. Modelovací a simulační metody navíc dnes umožňují vytvořit neje celkový návrh finálních produktů a ztvárnit a prostorově zviditelnit celkové struktury výrobního systému, ale dokáží i přidat dynamické parametry technologickým i logistickým procesům se strojním a manipulačním vybavením. Základní tématická zaměření oblasti jsou: Referenční simulační modely v simulačním SW ARENA, QUEST na kterých se budou provádět rozsáhlé ověřovací simulační experimenty řízené pouze datově (tj. s možností uzavřít automatickou zpětnou vazbu pro řízení experimentů optimalizačními algoritmy). Návrh a ověřování modifikací optimalizačních metod (např. gradientní, tabu search, modelování žíhání, genetické algoritmy), které jsou pro řízení experimentů (simulačních běhů) v DF efektivně použitelné. Studium vhodných kriteriálních funkcí pro použití v optimalizačních algoritmech. Tvorba distribuovaných simulačních modelů a vytvoření metodiky, podle které budou konfigurovány a nastaveny pro zkoumaný model potřebné funkce HLA a budou vytvořeny další typické programové moduly. Tvorba řídícího systému distribuovaných modelů v architektuře HLA, optimalizační algoritmy v síti modelů. Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 65 Datové modely rozhraní mezi simulačním modulem a dalšími moduly DF (např. QUEST, DELMIA) s důrazem na plné propojení s ERP systémy. Výsledkem výzkumu musí být metodiky standardizace postupů a metodiky provádění a implementace inovačních změn. Souběžně s vlastním výzkumem je nezbytné připravit i informační (propagační) a hlavně vzdělávací program problematiky DP pro management a zaměstnance podniků v regionu. Důvody Globalizace vyžaduje rychlou reakci na požadavky zákazníků, krátké časy technické přípravy výroby a rychlé uvádění výrobků na trh. To nebude možné bez využití digitalizace v celé šíři přípravného i výrobního procesu. Jde o složitý přerod započatý před 20 lety z jedné strany v oblasti konstrukce (CAD) a následně technologie (CAM), z druhé strany v oblasti plánování a řízení systémy PPS, MRP, ERP, MIS apod. Z uvedeného je patrné, že samotný CAD (Computer Aided Design) je sice velkým přínosem pro práci konstruktérů, ale neméně důležitá je vazba digitálního návrhu produktu přímo na proces vlastní výroby – tedy přímé navázání řetězce dalších podpůrných produktů typu CAM (Computer Aided Manufacturing), CAE (Computer Aided Engineering), PLM (Product Lifecycle Management), PDM (Product Data Management), atd., ve smyslu digitální továrny. Využití virtuální reality je proto používáno i v oblasti prostorového rozmístění výrobních strojů a zařízení při projektování hal. Jedná se tedy o ověření navržené technologii výroby ve virtuálním prostředí v plné návaznosti na ověření propustnosti virtuálního modelu produkčního systému. Problematika mezi uvedenými oblastmi zahrnující projektování výrobní základny a plánování a řízení vlastních produkčních procesů, ve které se střetává velice mnoho složitých a protichůdných vlivů, začíná být řešena teprve nyní a to s podporou výpočetní techniky pracující s velkými objemy dat, složitými algoritmy, simulačními a vizualizačními prostředky apod. Zahraniční prameny uvádějí při komplexním uplatnění digitalizace v oblasti automobilovém průmyslu (jediná oblast kde již byla kompletní digitalizace uplatněna) až: 40% úsporu času předvýrobních etap, 15 - 20% úspory času ve vlastním výrobním a montážním procesu, 10 - 15% úspory nákladů, 30% zkrácení doby potřebné pro zavedení výrobku na trh. Obdobná čísla mohou platit i pro další průmyslová odvětví. Očekávané výsledky Krátkodobá perspektiva (do 5 až 10 let) Úkolem konceptů digitální výroby (DM – Digital Manufacturing) je sladění všech prvků budoucího systému v dokonalou harmonii ještě dříve, než začne reálný provoz výrobní jednotky, a aby byly ještě v této fázi odsimulovány možné optimalizační kroky týkající se jak struktury a výroby výrobku, tak designu uspořádání produkčního systému. Aby ve své podstatě výrobní linky logisticky navazovaly na přepravu dopravními prostředky v dodavatelsko odběratelském řetězci založeném na podstatě systémů Kanban, JIT, atd. Vybudování datově a softwarově propojených spolupracujících výzkumných laboratoří pro jednotlivé oblasti cyklu PLM s pracovním označením Digital Factory a s vizí Smart Factory navazující na DP. Laboratoře by měly být obsahově zaměřeny a špičkově HW a SW vybaveny v oblastech: Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 66 konstrukce - tvorba výrobku, virtuální prototypy, rapid prototyping, technologie - technologické postupy výroby a montáže, virtualizace programů a technologických postupů, NC programy a výroba složitých tvarů, projektování – layouty, ergonomie, technika prostředí, robotika pro virtuální pracoviště, střediska, dílny, až po generel, logistika - vnitroobjektová, meziobjektová, globální, řízení výroby – systémy pro plánování a zlepšování výrobního systému, organizace a řízení včetně nákladových kalkulací. Všechny oblasti DP musí pracovat se simulací a vizualizací. Velká pozornost bude věnována datovým formátům a propojením jednotlivých modulů digitálními a digitalizovanými daty. V této souvislost je zapotřebí vyzdvihnout úlohu mechatroniky, která svou provazující schopností digitálně integruje strojírenství, elektrotechniku a elektrotechniku. Dlouhodobá perspektiva / vize (10 až 15 let) Cílem je: V regionu NUTS II Jihozápad vybudovat silné a unikátní vysokoškolské výzkumného pracoviště zaměřené na výzkum inovačních metod v produkčních systémech a procesech, založených na využití a rozvoji prostředků digitalizace a informačních technologií. Cílevědomě pokračovat na rozvoji metod digitální fabriky ve smyslu pokrývání celého PLM a zabudovávání umělé inteligence do algoritmů v DP. Je zřejmé, že již dochází k prorůstání některých výzkumných aktivit a výzkumných kapacit mezi jednotlivými pracovišti a bude se i nadále rozšiřovat. K tomu je nutné využívat společné multiprofesní řešitelské týmy a společná specializovaná pracoviště. Analýza SWOT Silné stránky V oblasti digitálního podniku je výhodou, že Katedra průmyslového inženýrství a managementu je prvním pracovištěm na strojních fakultách v ČR, které do DP již zainvestovalo (finančně, kapacitně a znalostně), dále pak již existují výzkumné výsledky, teoretické a aplikační znalosti v dílčích oblastech DP (CAD, NC produkce, simulační techniky, klastry), existuje i vymezený potenciál odběratelů výsledků v regionu i mimo region. Slabé stránky V oblasti digitálního podniku je slabinou zatím nízký zájem o využití uvedených moderních, i když zatím poměrně finančně náročných aplikací (dáno jak značnou setrvačností, tak i nízkou znalostí těchto nástrojů), uvnitř ZČU pak je nutné řádově zvýšit úroveň spolupráce fakult (a to nejen technických). Příležitosti V ČR nemá zatím nikdo jiný před námi náskok a ze zahraničí jsou známé miliardové přínosy této technologie. Můžeme navíc postupně měnit charakter DP -.z oblasti nasazení v hromadné a velkosériové výroby - na problematiku MSP, která v regionu výrazně převažuje. Nejdále v zavádění metod digitální fabriky je automobilový průmysl, což je dáno ostrou konkurencí v oboru, technickou náročností výroby a také vysokými nároky na rychlost, inovativnost a spolehlivost automobilů, které vyjíždějí z výrobních linek. Podobné Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 67 technologie se však začínají rychle prosazovat i v jiných průmyslových odvětvích a není daleko doba, kdy už se bez nich žádný úspěšný podnik neobejde. Ohrožení Problematika digitální fabriky je novou záležitostí, která byla zatím ověřena pouze u největších koncernů. V současnosti jsou v obecné rovině očekávány vysoké různorodé potenciály, ale výsledky a hodnocení nejsou plně srovnatelné a jednotné. Zatím neexistuje jednotný a přesný postup pro implementaci metod digitální fabriky. Podniky posupují individuálně v součinnosti s dodavateli softwarových systémů. Samotné programové prostředky jsou – přes značné a rychlé pokroky – stále ještě ve vývoji a jsou proto velice drahé. Stav v zahraničí a v ČR Vydefinování pojmu digitální fabrika stále probíhá. Řada autorů chápe tento pojem pouze ve vztahu k výrobě, jiní vidí digitální fabriku jako podstatně širší pojem. Shoda panuje v důrazu na digitalizaci přípravy výroby a vlastní výrobu a vše co s tím souvisí. Jde o nesmírně komplikovaný celek, protože se zde setkávají dva procesní řetězce Toto prolínání je také důvodem toho, proč tato oblast zatím nebyla plně digitalizována – nejprve bylo nutné digitalizovat oba dílčí procesní řetězce – proces tvorby výrobku (CAD/CAM) a plánovací a logistický proces (PPS, MRP, ERP, atp.). Navíc je patrné, že v oblasti výroby a montáže se kumuluje nejvíce vlivů a požadavků. Setkává se zde obrovské množství nejrůznějších komponent – stroje, zařízení, nástroje, přípravky, manipulační prostředky, atd. od nejrůznějších výrobců a vše je samozřejmě navíc komplikováno vlivy automatizace. Literatura uvádí, že digitalizace tohoto průnikového segmentu je řádově tisíckrát složitější, než představovala digitalizace každého ze samostatných procesních řetězců. První realizované koncepty tohoto druhu se počínají objevovat a přes obrovskou složitost komplexity a provázanosti celé problematiky, jde o velice rychle rostoucí segment trhu. V obecné rovině pak postupující digitalizace dovoluje zvyšovat i složitost a komplexnost navrhovaných výrobků, čemuž silně napomáhá i obrovský rozmach elektrotechniky a elektroniky. Nově vzniklé výrobky umožňují v posledních dvou desítkách let radikálně měnit původní mechanické konstrukce. Uvádí se, že až 90% inovací autoprůmyslu probíhá v oblasti elektroniky a informatiky a už jsme se přesvědčili o tom, že systémové změny v automobilovém průmyslu jsou předobrazem změn v průmyslu jako celku. Zatímco dříve byl vývoj nového typu vozu otázkou několika let, dnešní technici to s využitím podpory řetězce nástrojů CAD/CAM/CAE/DM/PDM, který postihuje v digitální formě všechny fáze návrhu a výroby finálního produktu, stihnou v horizontu měsíců. Současná etapa rozvoje počítačového a automobilového průmyslu mají mnoho společného je to ohromná kreativita a spousta nápadů, z nichž některé, ne nutně ty nejlepší, se v delším časovém horizontu stanou standardem. Obě průmyslová odvětví velice úzce spolupracují a postupně ukazují, že očekávané bezpapírové technologie nejsou tak vzdálené. Prvním automobilem navrženým výhradně digitální cestou, tedy bez použití papíru a rýsovacího pera se stal v roce 1998 Chrysler Concorde. Je to ovšem cesta organizačně a technicky nesmírně náročná a složitá, protože jenom digitální vývoj motoru znamená, že klíčové části nového motoru které tvoří hlava válce, blok motoru a assembláž jsou tvořeny paralelně - na těchto komponentách pracuje při digitálním návrhu současně celá řada vývojářských týmů, z nichž má každý na starost určitou specifickou část. Mohou vzájemně sledovat práci svých kolegů, souběžně provádět úpravy virtuálního Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 68 prototypu, který je navrhován tak, aby byl použitelný v co největším počtu vozů různých typů. Uchycení motoru je pak nutné upravovat pro jednotlivé typy vozů, což je vždy potřeba dělat v tempu, v jakém nové modifikace vozů přicházejí na trh. Podobně jako na motoru probíhají v dalších týmech práce na ostatních komponentách vozu a karoserie. Chrysler se touto cestou díky důsledné aplikaci technologie třídimenzionálního digitálního modelování dopracoval při vývoji řady modelů (Intrepid, Concorde, Eagle, Vision a Chrysler LHS) k úsporám ve výši 80 milionů dolarů a k osmiměsíčnímu vývojovému cyklu. V úhrnu tak dokončil všechny tyto projekty o 31 měsíců dříve, než by to bylo možné předchozími metodami. Dnes takto pracují prakticky všichni výrobci automobilů a přes dodavatele, se tyto metody rychle rozšiřují do dalších průmyslových odvětví, např. pro ČR dříve velice významnou oblast obráběcích strojů. Na těchto systémech se v současné době intenzivně pracuje a v horizontu 3-5 let je možné očekávat plnou integraci digitálního zpracování a toku informací od vývoje, přes konstrukci, technologii, výrobu až po řízení podniku – v této souvislosti hovoříme o digitální fabrice, digitální továrně (Digitalfabrik, e-Plant, e-Factory, Digital Factory apod.). Výzkum a aplikace DP jsou zaměřeny především na sériové výroby, ve kterých převažuje montáž a logistika, tj. na řešení požadavků velkých automobilek, výrobců letadel, lodí. Výsledky výzkumu jsou realizovány v integrovaném software, který je jednak nově vyvíjen, jednak se prozatím propojují SW balíky od různých výrobců (heterogenní komponenty). Centrem výzkumu a vývoje je: Severní Amerika s koncerny UGC a Delmia; EU zejména s Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, Universita Stuttgart, Univerzita Mnichov, Plavis GmbH, University of Bielsko Biala, Technische Universität Chemnitz, Žilinská univerzita, atd.; ČR s aplikacemi ve ŠKODA auto, a.s., či zástupci koncernů T Systems PragoNet, a.s., Siemens Product Lifecycle Management Software (CZ) s.r.o., Rockwell Automation s.r.o., atd. Předpoklady Připravenost Představiteli multidisciplinárního charakteru projektu jsou tři katedry Západočeské univerzity v Plzni, které se na řešení daných oblastí Digitální fabriky již podílejí: Katedra průmyslového inženýrství a managementu a Katedra konstruování strojů Fakulty strojní a Katedra technologií a měření Fakulty elektrotechnické. Jejich připravenost je možné podložit řadou výzkumných projektů, které ve vzájemných souvislostech vytvoří základ pro řešení předkládaného projektu. Výzkumný projekt 1ET201450508 v programu Informační společnost Akademie věd ČR s názvem „Informační a komunikační systém pro vytváření a řízení virtuálních firem“, který v roce 2005 a 2006 řešil řízení procesů a podniků seskupených do virtuální firmy. Projekt v průběhu svého řešení zásadním způsobem poukázal na to, že podnikatelská seskupení nelze řídit jinak než na základě digitálního řízení nejen dat, ale veškerých podnikových a mezipodnikových procesů. Řešitel: Katedra průmyslového inženýrství a management, Fakulta strojní, ZČU v Plzni Výzkumný záměr MSM 232100006 s názvem „Výzkum a rozvoj inovací, konstruování, technologie a materiálového inženýrství strojírenských výrobků“, který byl zaměřen mimo jiné i na navrhování Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 69 výrobků s ohledem na náklady a vazby na výrobní systém. Řešitel: Katedra konstruování strojů, Fakulta strojní, ZČU v Plzni Projekt dále naváže na výstupy výzkumného záměru MSM 4977751310 „Diagnostika interaktivních dějů v elektrotechnice“ (2005-2010), kde jednou z oblastí řešení je oblast řízení procesů v diagnostice. Hlavním cílem řešení je propojit teoretický základ řízení procesů, který je v současné době rozvíjen, s oblastí diagnostiky prvků a systémů v elektrotechnice. Hlavním cílem je zakomponování diagnostických procesů do komplexního systému procesního řízení. Řešitel: Katedra technologií a měření, Fakulta elektrotechnická, ZČU v Plzni Do výuky průmyslového inženýrství byla problematika digitální fabriky integrována v roce 2006, kdy byly z prostředků strojní fakulty a katedry zakoupeny výukové licence na produkty CATIA, SmarTeam a DELMIA. Další finanční prostředky byly zajištěny na pořízení několika počítačových stanic s výkonnou grafikou a pamětí pro osvojování SW a následné rozpracování problematiky digitální fabriky akademickými pracovníky a doktorandy. Náklady na zahájení prací se tak v roce 2006 přiblížily částce 1 mil. Kč. V roce 2007 se katedře podařilo realizovat projekt FRVŠ a zakoupit 13 vysoce výkonných pracovních stanic a další techniku (plotr, projektor, interaktivní tabuli, apod.), za účelem nasazení metod digitální fabriky do výukového procesu. Cíle projektu byly naplněny a metody digitální fabriky byly ještě v akademickém roce 2007/2008 nasazeny do výukového procesu. O úspěšnosti realizace projektu svědčí i fakt, že již v dalším roce se objevila potřeba, která je navíc zřetelně podněcována požadavky praxe, přejít k dalšímu stupni digitalizace, tedy k aktivnímu 3D prostoru. Pro vytváření virtuálního 3D prostoru představuje výše uvedený SW produkt DELMIA silný nástroj a zmíněné zajištění HW vybavení s výkonnou grafikou je také dostačující. Do budoucnosti se předpokládá nutnost zapojení dalších fakult a ústavů (KTO FST, UUD, NTC), i potřeba spolupráce s vybranými podniky. Vzhledem k tomu, že jde zatím vesměs o aplikace v oblasti automobilového průmyslu, přicházejí v úvahu buď ŠKODA auto, a.s. nebo její vybraní subdodavatelé. Dostupnost zaměstnanců a doktorandů v této tématice je dostatečná, protože většina potenciálních zaměstnanců jsou absolventi jednotlivých odborných kateder. Užití Z průzkumů konaných na různých institucích v mnoha strojírenských podnicích vyplývá, že očekávání přínosů digitální továrny je velmi různorodé. Ve třech parametrech ale panuje shoda: zrychlení zavedení výrobku na trh, zpružnění výroby, zajištění vyšší variability, zvýšení průchodnosti výrobou. Největší známost metod digitální fabriky je v oblasti automobilového průmyslu, který se dnes řídí heslem „Pětidenní auto“, což představuje snahu vyrobit auto (od přijetí objednávky v určité konfiguraci od obchodníka až po jeho dodání obchodníkovi) ve lhůtě pěti dní. V současné době je to běžně otázka dvou měsíců, lepší automobilky jsou již u čtyřiceti dnů a dobré automobilky již dnes pracují s lhůtou 10 dní. Snahou automobilek je vyrábět pouze to, na co je objednávka. Mezi dalšími parametry se nejčastěji objevuje: zlepšení inovačních možností, zajištění vyšší kvality výroby a výrobků, možnost virtuálních simulací a zkoušek, zlepšení a zpřehlednění workflow a datových toků, přenesení oprav a změnových řízení do méně nákladných oblastí, Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 70 snížení rizika poznání nedostatečnosti výrobku teprve v pozdějších etapách. Celkově výzkumy ukazují, že problematikou zavádění metod digitální fabriky se dnes již zabývá i velmi mnoho podniků z kategorie malých a středních podniků, které si uvědomují, že čekání na jakýsi jednotný a levný systém nemá smysl. Diverzifikace zájmů a požadavků je obrovská – proto je nutné u této kategorie podniků začít již dnes, s vlastními i když menšími kroky. Uživatelé a potenciální uživatelé jsou: Automotive Lighting s.r.o.; Panasonic AVC Networks Czech, s.r.o.; Škoda, Hutě, Plzeň, s.r.o.; Škoda JS, a.s.; Rodenstock ČR, s.r.o.; Siemens VDO Automotive, s.r.o.; ŠKODA TRANSPORTATION, s.r.o.; HP Pelzer, k.s.,; ŠKODA ELECTRIC a.s.; ZVVZ, a.s.; BOSCH České Budějovice, s.r.o. Dopady Podniky a klastry, které zavedou integrovaný digitální model alespoň předvýrobních a výrobních činností a zvládnou tvorbu a správu velkého množství výrobních dat, získají významnou konkurenční výhodu na trhu. Podniky, které budou subdodavateli renomovaných společností, u nichž je koncept DP zaveden, budou nuceny kompetentně pracovat v digitální vazbě na odběratele, pro které kooperují. Toto je již téma dneška. K přínosům patří zejména snížení podnikatelského rizika při zavádění nové výroby, možnost virtuální prohlídky výrobních hal, rychlejší rozmísťování strojního zařízení, prověření procesů před zahájením výroby, posouzení ergonomie pracovišť, redukce potřebné plochy a úprav zařízení, odhalení slabých míst a kolizí, urychlení změnového řízení, lepší využívání dostupných zdrojů, programování strojů a linek off-line, omezení potřeby prototypů, či snížení předělávek i následná výhodná možnost uplatnění metod Facility managementu. Publikované účinky digitální fabriky v oblasti automobilového a leteckého průmyslu Přínosy Rozsah Rychlejší náběh výroby až o 15 % Celková vyšší produktivita až o 10 % Zvýšení produktivity stávajících výrobních zařízení 15 - 20 % Snížení počtu výrobních zařízení, nástrojů, periferií, pomocného materiálu Snížení investičních nákladů na nová výrobní zařízení až o 40 % Zlepšení výrobní kvality až o 15 % Zlepšení zralosti produktů 5 - 10 % Zkrácení projektových časů až o 20 % Snížení počtu změnových řízení až o 20% Zvýšení účinnosti v oblasti komunikace a spolupráce až o 35 % Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 71 až o 20% Dlouhodobé základní směry výzkumu na VC TT Charakteristika Současný stav a perspektivy rozvoje regionu ukazují, že bude nutno do budoucna posilovat výrobní technologie umožňující nízkonákladovou výrobu dílů a součástí pro užitkové a spotřební předměty. Takovéto díly je především z kovu možno vyrábět technologiemi, které daným součástím poskytnou nejen potřebný tvar ale i finální vlastnosti. Kombinace tvaru a finálních vlastností bude i v budoucnu vytvářet důležitý komplex a společně s novými hospodárnými výrobními postupy umožní konkurence schopnost výrobků na trhu. Kromě materiálových a výrobních nákladů bude potřeba v budoucnu zaměřit pozornost i na snižování energetické náročnosti výroby. Tento trend je zřejmý i z důvodu nejen ekonomických ale i ekologických. Moderní výrobní postupy budou vyžadovat vytváření nových nekonvenčních technologických řetězců. Tyto řetězce mohou být pospojovány jak z klasických technologií tak i z nově vyvinutých inovativních technologií nebo dokonce spojeny i s technologiemi zcela novými, které v současné době ještě nejsou ve stavu současné techniky. Optimalizací takovýchto postupů s vhodným využitím vlastností nových materiálů lze dosáhnout synergetických efektů, které povedou k znásobení efektivity jak technologického řetězce, tak užitné hodnoty produktu při zachování přijatelné ceny a vlivu na životní prostředí. Uvedený základní směr výzkumu by měl být vhodným způsobem integrovat veškeré vhodné procesy založené na deformaci materiálu, změnách jeho struktury, k ovlivňování jeho technologických konstrukčních a užitných vlastností. Využití deformačních vlastností v technologických procesech bude zkoumáno jednak pro vývoj nových technologií procesu tváření a vybraných procesů obrábění. Je zřejmé, že tyto dvě technologie, které využívají ve svém základě především specifické chování dislokací k dosažení žádaného technologického chování, mohou vytvářet, a jak je v současné době zřejmé, vytvářejí vhodné kombinace vedoucí k žádanému projektu s žádanými vlastnostmi a zároveň mohou ve vzájemné konkurenci značně urychlovat tempo vývoje. Obě dvě technologie objemového zpracování materiálu vyžadují poznání materiálových vlastností, které je potřeba za specifických podmínek procesu měřit, simulovat a modelovat. Na základě analýzy chování materiálu lze pak společně s novými ideami výroby součástí vytvářet nové konkurence schopné technologie. Je samozřejmé, že u do těchto procesů budou vstupovat čím dál častěji i interdisciplinární prvky, které budou v budoucnu nevyhnutelné proto, aby bylo možno dosáhnout vysoké kvality výrobku a standardních průběhů procesů tak, aby nemohlo dojít k jejich selhání. Vymezení Uvedené technologie bazírující na využití deformačních schopností kovových materiálů zahrnují veškeré procesy týkající se tváření a obrábění, eventuelně jejich modifikací, přičemž je zpravidla vhodné v průběhu technologického procesu vhodným způsobem modifikovat materiálové vlastnosti k tomu, aby proces probíhal v optimálním rámci technologického okna a zároveň po ukončení procesu bylo dosaženo potřebné struktury a tedy i finálních materiálových vlastností. Samozřejmě tyto výzkumy musí být založeny na co nejlepším poznání komplexních materiálových vlastností, které musí být odpovídajícím způsobem v širokém rozsahu technologických parametrů zkoušeny a vyvíjeny. Tento systém musí být schopen integrovat i další technologie založené na jiných materiálových principech. Otevření tohoto systému se rozumí například možnost aplikace progresivních povrchových technologií, technologií spojování i technologií vytváření funkčně-strukturovaných materiálů např. materiálů kompozitních. Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 72 Nebezpečné překryvy v rámci regionu Jihozápad na poli výzkumu nejsou známy. Částečný segment konkurence může být viděn na ČVUT v Praze, který však v rámci tvářecích technologií v podstatě konkurencí není. V rámci republiky je největší konkurencí v oblasti uvedeného segmentu materiálového výzkumu pouze Univerzita v Brně a Ostravě. Kromě toho existuje řada firem i v regionu, které jsou zaměřeny na zkoušení materiálů, avšak na zkoušení klasickými technikami a nezabývají se soustředěně vývojem nových materiálů a jejich vlastnostmi. Důvody Uvedený výzkum je v rámci Evropské unie otevřen běžné konkurenci, která je charakterizována celou řadou kateder či výzkumných ústavů umístěných na technických univerzitách po celé Evropě, eventuelně na ústavech které tyto výzkumy provádějí na soukromé nebo polostátní bázi. Praxe ukazuje, že potřeba vývoje těchto technologií je neustále vyžadována, neboť s rostoucím tlakem na snižování nákladů je potřeba odpovídajícím způsobem zvyšovat kapacity pro vývoj inovativních technologií. Zároveň roste díky dynamice průmyslu i počet součástí, které musí být do detailu optimalizovány včetně vhodného výrobního technologického řetězce. Očekávané výsledky - vize Krátkodobá perspektiva (do 5 až 10 let) V uvedeném oboru došlo na ZČU v poslední době k několika zásadním okamžikům, které urychlily a podpořily dynamiku vývoje. Za posledních 10 let byly vytvořeny laboratoře, které mohou v konkurenci s obdobnými zařízeními v EU plně obstát. Tato platforma umožňuje poměrně dobrou dynamiku dalšího rozvoje výzkumu. K tomu v současné době přispívá i existence Výzkumného centra, které pracuje soustředěně na nejmodernějších směrech v oblasti tváření a vývoje materiálů a jeho fungování je zabezpečeno finančně i personálně až do konce roku 2009. V této době bude vyvinuta a zdokonalena řada nových technologií a inovativních konceptů pro zpracování materiálů. Tím dojde k posílení výzkumné platformy, která může být dále rozvíjena v souladu s orientací nejen regionu, ale bude schopna reagovat i na globální potřebu výsledků vývoje. Již v současné době jsou některé aplikace, či jejich prvky využívány celosvětově. Například se jedná o technologie umožňující znovu využití některých speciálních materiálů, technologie přinášející nové koncepty využití ocelí pro speciální aplikace nebo výrobu materiálů pro průmysl zpracovávající jaderný odpad atd. V současnosti je vyvíjena řada dalších nových konceptů včetně optimalizace některých prvků pro automobilový průmysl. Perspektivní jsou rovněž procesy získávání ultrajemnozrnných materiálů, a s tím spojené dosud nevyužívané materiálové vlastnosti. V rámci perspektivy 5-ti až 10-ti let by mělo dojít k transformaci Centra tvářecích technologií v moderní výzkumný institut, který bude vytvářet dostatečně velký potenciál k nezávislému výzkumu v uvedené oblasti. Dlouhodobá perspektiva / vize (10 až 15 let) Vzhledem k tomu, že neexistují zatím jiné předpoklady, než že bude i v budoucnu neustále potřeba podobně probíhajícího procesu intenzivního vývoje nových produktů je možno usoudit, že i uvedený obor bude zůstávat stále v centru zájmu. Toto potvrzují i neustále nové myšlenky a impulsy k vývoji nových technologií, jejich modifikací, a s tím spojených nekonvenčních aplikací různých materiálů. Ani v dlouhodobé perspektivě nelze předpokládat, že by se tento proces měl zpomalovat či dokonce zastavit. Pokud bude Evropskou unií sledován trend udržitelného růstu, bude s ním nutně spojen i dlouhodobý rozvoj uvedeného segmentu výzkumu a vývoje. V těchto horizontech lze očekávat, že se objeví nové systémy Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 73 řízení a monitorování procesů, zcela nové koncepty strojů - zejména s využitím poznatků z elektroniky a senzoriky, flexibilizace výroby, či použití nových fyzikálních principů strojů na bázi např. aktuátorů atd. V současné době jsou již na pracovišti pro dlouhodobý rozvoj v tomto směru na úrovni ideové zpracovávány nové myšlenky a koncepty. Celá řada těchto konceptů je směřována zejména do oblasti miniaturizace ovšem právě s ohledem na současné efektivní získání složitých tvarů, zároveň vynikajících materiálových vlastností, tak i přesnosti výroby a povrchové kvality produktů. Takovéto aplikace se stanou nanejvýš aktuálními v okamžiku, kdy dojde k dalšímu urychlení rozvoje predikované miniaturizace. Budoucnost tohoto oboru je spojena i s rozvojem ostatních oblastí vývoje regionu, např. miniroboty nového typu budou muset být vybaveny miniaturními pohonnými jednotkami, budou muset být vybaveny schopností zabezpečit si sami energii, či tuto energii efektivně uchovat a hospodárně ji využívat. Řada prvků pro takovéto stroje budoucnosti, které jsou v současnosti na úrovni vizí, bude muset být vyrobena pomocí nových nekonvenčních dosud neznámých technologií, která však budou stejně jako dnešní technologie využívat plastických vlastností kovových materiálů. Analýza SWOT Silné stránky - padesátiletá tradice vývoje a výzkumu daného oboru - desetiletá zkušenost s využitím FEM simulací technologických procesů a procesů tepelného zpracování - třicetiletá tradice modelování procesů - padesátiletá tradice zkoušení materiálových vlastností - světová špička v současnosti v oblasti materiálového fyzikálního modelování - lidský potenciál: - Výzkumné centrum tvářecích technologií - FORTECH: 17,2 přepočteného úvazku 29 zaměstnanců z toho 52 % do 35 let podíl žen ve výzkumu 28 % kromě toho další technický personál - 4 spolupracující docenti z kateder - mezinárodní spolupráce s přímým propojením pracovišť SRN; TU Chemnitz - potenciál disertačních a diplomových prací spolupracujících kateder Infrastruktura pro danou oblast představuje propojení výzkumné báze částí několika kateder na dvou fakultách, Fakultě strojní a Fakultě elektrotechnické. - katedry: Katedra materiálů a strojírenské metalurgie Katedra konstruování strojů Katedra technologie obrábění Katedra aplikované elektroniky a telekomunikací - k tomu přináleží odpovídající laboratoře a zkušební pole vybavené potřebnou technikou Zájem odběratelů je dokumentován přítomností potenciálních odběratelů výsledků výzkumu v řídích složkách Centra. Jedná se o řadu předních českých firem působících v oblasti tváření. Dvě nejvýznamnější firmy z regionu jsou spoluzakladateli Centra a zároveň přispívateli prostředků z neveřejných zdrojů na výzkumné aktivity centra. Všechny účastněné firmy jsou zároveň uživatelé výsledků Centra. Kromě toho jsou výstupy užívány i ostatními subjekty, včetně některých subjektů v zahraničí. Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 74 Slabé stránky Dosud je známa pouze jedna slabá stránka a to nízký stupeň komerčního využití výsledků vývoje a výzkumu. Důvodem k tomu je nemožnost dosáhnout dostatečné flexibility požadované průmyslem pro rychlé a operativní řešení zakázek z důvodu složitých vnitřních procesů v řídících strukturách univerzity. K tomu přispívá i současný charakter centra. Pro budoucnost se předpokládá se zavedením a rozvojem marketingu a managementu výzkumu. To jsou obecně potřeby pro téměř všechny oblasti moderního výzkumu. V uvedeném oboru není spatřován žádný další výrazný nedostatek či nesplněný předpoklad pro provádění aplikovaného výzkumu na Západočeské univerzitě. Pro současný efektivní stav výzkumu je zabezpečena proporcionálně jak technika, tak provozní prostředky, tak prostředky pro platy zaměstnanců působící ve Výzkumném centru tvářecích technologií. Příležitosti - financování z vládních programů - financování z mezinárodních bilaterálních programů - financování z vybraných prostředků EU (nikoliv 7. rámcový program, z důvodů nízké efektivity a účinnosti v přípravných jednání účast odmítnuta) - přímá spolupráce s průmyslem - spolupráce s vývojovou firmou COMTES FHT - účast v pokračovacích programech projektu Centra Ohrožení - globální evropská krize - přechod klíčových technologií do východních zemí - ztroskotání konceptu udržení dlouhodobého rozvoje - zbrždění vývoje ekonomiky neuměřenou sociální společností Stav v zahraničí a v ČR Díky existenci Výzkumného centra tvářecích technologií není v současné době výraznějšího rozdílu mezi stavem výzkumu na ZČU, respektive v Centru tvářecích technologií od podobných pracovišť v zahraničí, včetně EU. Větší rozsah výzkumu, a tím soustředěný potenciál se v okolí nachází pouze ve Fraunhoferově institutu v Německu a na některých evropských univerzitních pracovištích . V uvedeném oboru nemá pracoviště ZČU v komplexním pohledu ve své kategorii žádnou konkurenci v rámci ČR. Kromě běžných kontaktů udržuje obor kontakty s řadou zahraničních pracovišť v EU a z hlediska regionální výhodnosti zejména se sousedním Německem. V současné době existuje přímé propojení s TU Chemnitz, kde v současné době zpracovávají část projektů tři pracovníci Centra. Tím jsou plně odstraněny hranice ve výzkumu a díky vysokému potenciálu a stálým kontaktům neexistuje ani jazyková bariéra. Předpoklady Připravenost Pro další rozvoj lze odhadovat navýšení současného počtu pracovníků cca. o jednu třetinu tak, aby byly posíleny zejména interdisciplinární obory a postupně byly pokryty i obory nově vznikající nebo obory, které se budou do této oblasti nově integrovat. Podle současných zkušeností se nejeví vhodné přesáhnout celkový počet lidského vědeckého potenciálu čtyřiceti osob. Dle současných poznatků dovoluje toto množství dostatečně flexibilní řízení Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 75 formou jednoduché struktury a umožňuje zabezpečit přehled o vědeckých aktivitách a zabezpečit fokusaci na řešení problému v oboru. Navýšení potenciálu o potřebný počet osob se předpokládá postupně ze zdrojů absolventů Západočeské univerzity, zejména pokračování inženýrských a doktorandských studií. Vzhledem k tomu, že se celkově nebude jednat v uvedeném případě o jednorázové, okamžité navýšení současného stavu, je toto doplnění z vlastních zdrojů Univerzity zcela reálné. Užití Pro intenzivnější aplikaci výsledků a urychlení přenosu nových poznatků do praxe bude rozvíjena oblast marketingu, managementu a strategie řízení výzkumu na základě vědeckých poznatků a nových metod řízení. Jedná se o nové obory, které musí být nutně integrovány do současného systému výzkumu. Tento nový obor bude silně přispívat k efektivitě výzkumu. To ukazují i některé výsledky firem, kde byly tyto obory již zavedeny. V oblasti vědeckých a výzkumných institucí se zatím jedná spíše o výjimky. Vzhledem k tomu, že hlavním tématem oboru je zpracování především kovových materiálů procesem plastické deformace, je předpoklad, že se aplikovatelnost výsledků nebude ani do budoucna snižovat, ačkoliv v dlouhodobém vývoji lze očekávat využití zcela nových výrobních konceptů a dosud neznámých technologií. I nadále však bude uvedený obor nutný pro rozvoj klasických oborů, kterými jsou například elektroenergetika, těžké strojírenství, dopravní technika a dalších oborů, bez kterých se ani v budoucnu rozvinutá společnost nemůže obejít. Z demografického vývoje lze predikovat i zvýšené požadavky na potřebu medicínských aplikací, např. na implantáty se zcela novými vlastnostmi, strategií zpracování, materiálovými koncepty a jejich kombinacemi. Jak již bylo uvedeno v předchozím, bude potřeba zabezpečit i rozvoj dosud neexistujících oborů včetně miniaturizace, nových pohybových systémů atd. Co se partnerů týče předpokládá se do budoucna aplikace výsledků u většiny průmyslových podniků účastnících se v řídících složkách současného Centra, u spoluzakladatelů a u dalších subjektů. Dopady Výsledky a výstupy budou přímo i nepřímo zaměřeny na tři hlavní linie: - zvýšení užitné hodnoty produktu od idey přes realizaci, použití až po recyklaci - zlepšení technologických a mechanických vlastností produktu - vývoj nových technologických a materiálových konceptů s minimalizovaným vlivem na životní prostředí Z globálního pohledu podpoří výsledky výzkumu základní koncept udržitelného rozvoje společnosti při současném snižování intenzity vlivu člověka na životní prostředí. Návrhy opatření V oblasti lidských zdrojů bude plánovaný projekt navazovat na současné aktivity a počítá se s přechodem současného vědeckého i pomocného personálu do struktur nového projektu. Zároveň se předpokládá rozšíření jak kapacit vlastního páteřního oboru, tak i některých mezioborových oblastí, tak jak již bylo uvedeno v předchozím textu. V současné době se jedná o kapacitu cca. 17 přepočtených úvazků, která by měla být postupně navýšena na 25 až 30. Předpokládá se postupné doplnění o vybrané vlastní absolventy z různých fakult ZČU a zároveň v omezené míře i přijetí dalších pracovníků se zkušenostmi v daných oborech. Tito pracovníci by měli zejména rozvíjet nové integrované obory, kde dosud není vlastní potenciál k dispozici. Pro uvedený rozvoj není vyloučeno ani bližší organizační propojení s ostatními subjekty jako je např. potenciálně velmi blízce spolupracující firma COMTES FHT. Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 76 Co se infrastruktury týče předpokládá se přibližně ztrojnásobení plochy pro výzkumná zařízení, včetně těžké laboratoře. Veškeré požadavky na plochy včetně jejich rozdělení jsou uvedeny v projektové studii. V této studii jsou rovněž naznačeny základní kapacity personálu a v hrubých rysech načrtnuta jednotlivá zařízení a jejich přibližné ceny. Pro uvedený projekt je uveden i finanční odhad varianty, ve které je uvažována stavba nového objektu v případě, že by mohl využít část stávající technologie a laboratorních prostor. V závislosti na podílu aplikovaného výzkumu bude kladen důraz na vytváření a aplikace nových technologií a přijatých patentů. U vybraného segmentu výzkumu, zejména financovaného z veřejných zdrojů, bude ukazatelem počet přijatých článků v renomovaných časopisech. Předpokládá se při týmové spolupráci minimálně jeden přijatý článek na výzkumný úkol. Samozřejmostí je prezentace výsledků na odborných fórech, které zároveň vedle renomé pracoviště musí přispívat i k marketingové strategii výzkumného procesu. V závislosti na aktuálních projektech bude tato problematika řízena ve spolupráci s marketingem a managementem výzkumu. Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 77 Dlouhodobé základní směry výzkumu na VC KV Charakterisika Vymezení Dopravní technika je obor, který spojuje znalosti široké škály disciplin jako, jsou strojní inženýrství, nauka o materiálu, mechanika, pružnost a pevnost a další. Současný vývoj v této oblasti ukazuje stoupající význam dopravní a manipulační techniky v oblasti národního hospodářství nejen v Česku, ale i v Evropské unii. Dopravní technika bude muset v budoucnu řešit řadu problémů s přepravou osob i materiálu mezi jednotlivými subjekty, ať jsou to města nebo výrobní organizace. Doprava spotřebovává také značné množství energie, které bude v budoucnu nedostatek. Z tohoto jednoduchého konstatování vyplývají i důvody pro řešení vybraných úkolů. Důvody Důvody pro řešení vybraných problémů v dopravní tecnice lze shrnout do následujících bodů: Energetická náročnost v dopravě vede k hledání nových konstrukčních principů ve stavbě vozidel, které při nižší vlastní hmotnosti přepraví stejné množství osob nebo materiálu s nižší spotřebou energie Výzkum nových materiálů s vyššími užitnými vlastnostmi přinese snížení hmotnosti vozidel a tím naplnění požadavku nižší spotřeby energie Nové požadavky na aktivní bezpečnost a crashovou odolnost vozidel přináší podněty pro nová konstrukční řešení podložená simulačními výpočty Požadavky na vyšší komfort, zejména u kolejových vozidel, přináší nové podněty na energetická zařízení v kolejových vozidlech jako je větrání, klimatizace. Vyšší komfort je spojen také s jízdními vlastnostmi vozidel Ekologické požadavky na vozidla vyvolávají požadavky na nová řešení spalovacích motorů a převodových ústrojí, s nižším dopadem na životní prostředí. Jednak s nižším množstvím obsahu CO2 ve spalinách, jednak požadavkem na dokonalou těsnost převodových ústrojí bez úniku oleje do okolí Požadavky na spolehlivost vozidel jsou spojeny s diagnostikou, která má odhalit a předem informovat o možných závadaách, aby se předešlo potížím s údržbou a s případnými haváriemi Výzkum nových dopravních principů, který by řešil konkurenční vztah silniční a kolejové dopravy Nové principy přenosu výkonu od trakčního dieselu na dvojkolí s vyšší účinností Očekávané výsledky, přínosy – vize Investice: Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 78 1. Stend pro zkoušení pohonu dvojkolí Stend bude složen ze dvou trakčních asynchronních motorů, každý o výkonu cca 80 kW. Jeden bude fungovat jako hnací, druhý jako brzdový, z něho se bude energie likvidovat v odporníku, nebo odvádět zpět do sítě. Mezi tím bude jedna nápravová převodovka s nápravou, uložená v nápravovém ložisku. Náprava bude vykonávat stejné pohyby jako za jízdy vozidla po nerovné koleji. Cílem bude výzkum těsnosti převodovek, měření teploty ložisek, měření relativních pohybů převodové skříně a pohybů převodovky. Současně na tomtéž stendu bude namontovaná kotoučová brzda, na které je možné provádět měření teploty kotouče při brždění, ověřovat proudění vzduchu v brzdovém kotouči. Plocha 5x8m Energetická náročnost 100kW 1 700 000,2. Stend na výzkum hydrostatického pohonu dvojkolí. Diesel pohání hydrostatické čerpadlo, odtud je výkon veden na hydrostatický motor, který je upevněn na dvojkolí. Slouží k výzkumu parametrů pohonu – dieselu, hydrostatického přenosu, který se začíná objevovat u vozidel s výkonem do 200 kW. Plocha 5x8m Odvod spalin 1 800 000,3. Stend na výzkum crashové odolnosti komponent dopravních prostředků Plocha 3x3m Energetická náročnost 3kW 1 400 000,4. Stend na výzkum pevnosti komponent skříně kolejového vozidla Plocha 3x8m Energetická náročnost 3kW 600 000,- 5. Stend na výzkum nových principů pohonu dvojkolí souosým synchronním motorem s permanentními magnety Plocha 3x3m Energetická náročnost: započítáno v bodě 1 1 900 000,6. Stend na výzkum nových principů vstupních dveří do vozidel MHD, spojený s výklopnou stupačkou. Plocha 3x3m Energetická náročnost 3kW 900 000,7. Stend na výzkum větracích systémů kolejových vozidel Plocha 4x8m Energetická náročnost 3kW Celkem investice 800 000,9 100 000,- Stav v zahraničí a v ČR Obor dopravní techniky má tři větve: Silniční vozidla Kolejová vozidla Manipulační technika Obor silničních vozidel se v devadesátých létech minulého století bouřlivě rozvíjel a převzal řadu přepravních výkonů z kolejové dopravy. Kolejová doprava po určitém útlumu v e stejném období hledá a nachází své místo zejména regionální dopravě, ve vysokorychlostní dopravě a v městské kolejové dopravě. Přichází období hledání nových konstrukčních principů stavby vozidel, které potřebují nové materiály , nové zkušební metody a simulaci Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 79 některých procesů. Útlum v minulých létech znamenal značné snížení výzkumných kapacit, které nyní strádají co do vybavení i co do počtu pracovníků. Příkladem může být Výzkumný ústav kolejových vozidel, který měl cca 250 pracovníků, nyní má kolem 50. V Evropě existují výzkumné instituce v Mindenu SRN, ve Francii, v Rusku. V Česku jsou nyní sdruženy do Výzkumného centra kolejových vozidel, které v roce 2009 skončí. Členové VCKV se věnují následující oblastem: Univerzita Pardubice se zabývá výzkumem adheze a problematikou styku kola s kolejnicí. VÚKV a.s. se zabývá zkoušením kolejových vozidel a konstrukcí nových vozidel v rámci ŠKODA holding. a.s. ŠKODA VÝZKUM s.r.o. má akreditovanou dynamickou zkušebnu podvozků a dalších částí silničních a kolejových vozidel. Témata a směry uvedené v záměrech ZČU jsou v této chvíli volná a mají značný potenciál rozvoje. Nekříží se se zájmy jiných subjektů. Předpoklady Připravenost Personální obsazení v současné době v oddělení dopravní a manipulační technika není s ohledem na předpkládané perspektivy na potřebné úrovni co do kvality i do počtu. 1 profesor, 3 docenti, 3 odborní asistentů. 9 interních doktorandů , 1 externí doktorand. Zejména věkové složení je potřeba postupně zlepšovat.. Z hlediska materiální připravenosti, nejsou k disposici potřebné stendy, proto v tomto projektu předpokládáme jejich instalaci. Užití Výsledky výzkumu budou využívat výrobci kolejových a silničních vozidlel i ostatní manipulační techniky. Jedná se zejména o firmy ŠKODA TRANSPORTATION s.r.o., CZ LOKO a.s. Čestá Třebová, LOSTR a.s. Louny, ČKD Kutná Hora, SKD TRADE, a.s., DAKO – CZ, a.s. Třemošnice, Wikov MGI a.s. Hronov, BONATRANS a.s. Bohumín. Dopady Většina zařízení bude využitelná pro výuku. Některá z nich, např. ze stendů s označením 1 a 2 budou využitelné komerčně. Souhrn FST- 28.5.2008 – verze 3.0. 80
Podobné dokumenty
Výroční zpráva o činnosti FS TUL za rok 2000 - Fakulta strojní
- rozšiřování nabídky programů celoživotního vzdělávání,
- inovaci současných studijních programů s důrazem na snížení podílu přímé výuky,
- samostatnou tvůrčí činnost studentů a pořádání přehlídek...
The Strategic Programme Innovative Upper Austria 2010, TMG 2009
přikládám zde ke stažení slíbenou analytickou zprávu
jak na první, tak druhou otázku z celého agregátu true konferencistů):
1) Pro core markeťáky, kteří se velmi přibližují networkistům, je konference spíše místem pro networking s
přidanou hodno...
Výzkumný záměr - Výzkumný a zkušební ústav Plzeň s.r.o.
stejné, vývoj v následujícím období se odehrával ve znamení předstihu USA a Japonska. Od
začátku 80. let začaly snahy evropských výrobců o intenzivní vzájemnou spolupráci ve
výzkumu, jehož jádro by...
Svět strojírenské techniky číslo 3/2007
jsou izolovanost, nedostatečná vzájemná komunikace firem a spolupráce firem
s vědecko-výzkumnou sférou.
Mezi jejich přínosy pro firmy patří
zejména identifikace společných potřeb,
úspora nákladů,...
Transfer 06/2007 - Výzkumný a zkušební letecký ústav
pevnostního experimentu. Vlastní nedestruktivní zkoušení hraje významnou roli
především v případě dlouhodobých únavových zkoušek komplexních konstrukcí, kde
je extrémně důležité umět odhalit inicia...
Plzeň 2015 - Útvar koordinace evropských projektů města Plzně
excelence) v souladu se sedmi prioritními oblastmi vymezenými Národním programem
výzkumu. Tím se napomůže posílení role těchto center jako pólů růstu. V návaznosti na tyto
intervence bude poskytová...
katalog olejů Selenia
Lubrifikant vyvinut pro garanci výborných výsledků při sportovním řízení (sportovní jízdy) a při maximálním využití
motoru.
Selenia Sport chrání motor až do vysokých teplot, a to je ideální olej pr...
