Ptáme se

Z čeho vyrobit to nejlehčí letadlo

Projdeme recepcí mezi domy, které dnes spolu s továrními budovami pamatujícími i německou okupaci tvoří národní centrum pro výzkum, vývoj a zkušebnictví v letectví a kosmonautice. Je tu honosná meziválečná stavba – vstupní budova Výzkumného a zkušebního leteckého ústavu. Vcházíme do sterilních dílen Útvaru kompozitní technologie. Máme možnost nahlédnout do útrob vývoje technologií, které využívá nejen letecký průmysl. O materiálech pro výrobu kompozitů a úskalích, které práce s nimi skýtá, si povídáme s Františkem Martausem, vedoucím technologem.

Z čeho vyrobit to nejlehčí letadlo
Z čeho vyrobit to nejlehčí letadlo
Jak to vypadá v Útvaru kompozitní technologie? (foto: Tomáš Rubín)
Jak to vypadá v Útvaru kompozitní technologie? (foto: Tomáš Rubín)
Vytvrzování pryskyřic (foto: Tomáš Rubín)
Vytvrzování pryskyřic (foto: Tomáš Rubín)
(foto: Tomáš Rubín)
(foto: Tomáš Rubín)
(foto: Tomáš Rubín)
(foto: Tomáš Rubín)

Co je úkolem vašeho útvaru? Kdo se podílí na vývoji nových kompozitních výrobků?
Pracuje zde celý řetězec odborníků. Máme tady konstruktéry, kteří umí navrhnout kompozitní konstrukci. Dále je tady skupina technologů, kteří říkají, jak se má výrobek ideálně vyrobit. Jakým postupem, z jakých materiálů, jak se budou zkoušet jeho parametry.

V domečku naproti jsou vybaveni na kusovou a malosériovou komerční výrobu. Jsou schopni vyrobit třeba zkušební panely nebo prototypy. Pak je tady zkušebna – to je ta obrovská betonová budova vzadu. Je dimenzovaná tak, aby se do ní vešlo celé dopravní letadlo. Dělají se tam zkoušky, kde se lámou křídla i celé trupy letadel.

Také máme divizi, která se zabývá klimatotechnologickými zkouškami. Jsou schopni nasimulovat extrémní prostředí, kterému jsou díly nebo materiály podrobeny. Máme i speciální komoru, která simuluje vlhko. Tam uložíme vzorky třeba na měsíc a pak zkoumáme, jak změnily vlastnosti.

Výroba materiálů vyžaduje vysokou čistotu prostoru. Pořádek na pracovišti je samozřejmostí

S leteckým průmyslem je tato část Prahy spojena již od roku 1918, kdy byla ve Kbelích založena Továrna na letadla, zkráceně Letov. Ten byl pak roku 1925 přesunut do stávajícího areálu v Letňanech. Za 2. světové války byl Flugzeugwerke Letov k dispozici Říšskému ministerstvu letectví, po válce byl pak nazýván Rudý Letov.
Po válce se tu vyráběly například ruské Migy. Se změnou mocnosti jsme z toho vždycky z technického pohledu hodně získali – třeba německé technologie zpracování duralu, Rusové sem přinesli nadzvuková letadla. Český letecký průmysl to hodně popohánělo.

Kdo za VZLÚ stojí dnes?
Dnes patříme pod Ministerstvo financí ČR. Zároveň máme evropské projekty a komerční zakázky. Poměr těchto tří zdrojů se různě mění a přelévá.

Jste zapojeni do výzkumného projektu Future Sky Safety (FSS), kde řešíte vhodné materiály pro bezpečné interiéry letadel. Jak váš výzkum probíhá?
Projekt FSS je zaměřený na bezpečnost v letecké dopravě a my jsme v sekci, která se zabývá materiály, které by byly bezpečnější v případě havárie nebo požáru. Posuzujeme tedy chování materiálu z hlediska produkce zplodin, hořlavosti, pevnosti při hoření a tak dále.

Zde ↓ vidíte třeba panel, který je zevnitř oken letadla. V současnosti se vyrábí ze skelné tkaniny a fenolické pryskyřice. Materiál velice laciný a lehký. Splňuje všechny předpisy, ale ty jsou v podstatě nastaveny tak volně, aby je splňoval. Materiál primárně nehoří, ale produkuje spoustu zplodin – sice neuhoříte, ale v podstatě se udusíte. Bylo to prokázáno u spousty havárií. V tomto projektu se tedy zaměřujeme na novou generaci nehořlavých materiálů do interiérů dopravních prostředků.

Trup letadla a výrobní hala

Firmy se snaží vyrábět letadla, auta, kola, tak aby byla co nejlehčí. Proto často využívají uhlíková vlákna, která mají vysokou pevnost a nízkou váhu. Velkou roli zde tedy hraje uhlík a jeho kompozity. Při jejich výrobě se používají různé pryskyřice. Jak vypadá nová generace těchto nehořlavých pojiv?
Jako příklad mohu uvést geopolymerní pryskyřici, respektive jde o geopolymerní pojivový systém z kaolinu a vodního skla. Je to v podstatě chemicky velice jednoduchý systém, který má výborné vlastnosti. Na vývoji spolupracujeme s Německým leteckým střediskem pro letectví a kosmonautiku DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. – pozn. red.). V rámci spolupráce s DLR chceme naší pryskyřicí impregnovat recyklované uhlíkové vlákno.

Naše geopolymery jsou zajímavé právě tím, že je získáte při normální teplotě. Nemusí se nijak vypalovat. Sestávají z kaolinu a vodního skla. Je tam i oxid křemičitý, snadno dostupné složky. Vlastně jde spíše o keramický materiál. Říká se tomu geopolymer, ale ve své podstatě to není polymer. Jsou tam nějaké vazby, které připomínají polymer, ale blíž to má asi třeba ke keramice nebo betonu. Je to absolutně nehořlavý materiál. Dělali jsme analýzu zplodin, tedy plynů, které z toho odcházejí, naměřili jsme trošku CO₂, jinak nic.

Tady vidíte pěnu ↓, kterou je také možno vyrobit a která je také zamýšlena do projektu FSS. Pěna vznikne přidáním vhodného nadouvadla do geopolymerní pryskyřice. Je to velice křehké, takový piškot. Když se na to ale nalepí dostatečně odolné potahy, může to fungovat i jako jádro pro nehořlavé kompozity.

Napěněná geopolymerní pryskyřice (zdroj foto: archiv matériO Prague)

Jak probíhá zmíněná spolupráce s Němci? Vy vyrábíte vzorky a oni je pak testují?
Ano, oni mají své materiálové systémy a my zas jiná zařízení. Spolupráce tedy probíhá oběma směry – oni nám také posílají vzorky a my je zkoušíme. Celý projekt vyvrcholí příští rok, kdy bude vyroben demonstrátor kusu trupu letadla, kde budeme prezentovat naše materiálová řešení.

Do Německa budeme posílat například vzorky kompozitních panelů, mimo jiné i z recyklovaných uhlíkových vláken. Oni je tam zalijí do speciálního betonu, budou na to působit tlakem a zároveň šlehat plamenem o teplotě asi 1000 °C. Němci jsou velmi ovlivnění zelenou ideologií a touto geopolymerní pryskyřicí chtějí impregnovat třeba i recyklované uhlíkové vlákno. Jako výztuž do kompozitu chtějí aplikovat i geneticky modifikovaný len.

„Němci jsou velmi ovlivnění zelenou ideologií a touto geopolymerní pryskyřicí chtějí impregnovat třeba i recyklované uhlíkové vlákno. Jako výztuž do kompozitu chtějí aplikovat i geneticky modifikovaný len.“

Idea nahrazení štiplavého zápachu řepky navrácením modrého kvítí zpět na naše pole je hezká. Jaký vidíte potenciál lnu v kompozitech?
Aplikovat len třeba do letecké výroby je velký problém. Len je sice lehoučký, ale hoří, nasakuje, nezaručíte rovnoměrnou kvalitu – len z jednoho pole bude mít jiné vlastnosti než len z druhého pole. Pro nějakou vážnější výrobu to asi není.

Stejný problém se řeší třeba u balzy (velmi pórovité a lehké dřevo stromu rostoucího v tropické Americe, pozn. red.), ta se používá jako jádro sendvičů pro výrobu podlah letadel. Balza funguje v sendvičích jako mikrovoština, ale cenově je lacinější. Firma Baltex, největší dodavatel balzy na světě, má v Brazílii certifikované plantáže, kde se přesně definovaným způsobem pěstují balzové stromy. Je to ale výjimka. Dřevo je báječný materiál, ale jeho hlavním problémem je samozřejmě jednak hořlavost a jednak to, že musíte dohledacímu úřadu prokázat, že to vaše dřevo je to správné dřevo. U dřeva lze těžko posuzovat každý strom.

Kompozity se většinou špatně recyklují. Jedním z přístupů k udržitelnému hospodářství je však i produkce z trvanlivých materiálů za účelem omezení produkce jako takové. Berete při práci s kompozity z nerozložitelných minerálních či syntetických materiálů v potaz konec životního cyklu výrobku nebo jeho likvidaci?
U letadel se to zatím moc neřeší. Jde víceméně o kusovou výrobu. Nicméně je na to možné myslet už při návrhu. Třeba sendvičové konstrukce se velmi špatně recyklují, je tedy lepší navrhnout konstrukci monolitní. Což jsme při jednom projektu zohlednili, ale není to běžná praxe. Němci v tomto ekologickém ohledu myslí hodně dopředu. Je to náladou ve společnosti.

Výroba kompozitního výlisku vakuovým lisováním

Při manipulaci a opracování textilních minerálních materiálů je nezbytný všudypřítomný odsávací systém

Mluvil jste o recyklovaném uhlíkovém vláknu. (Uhlíkové kompozity lze recyklovat pyrolýzou, tedy tepelným rozkladem, o němž mluví František Martaus. Dále lze recyklovat chemicky, za použití roztoku kyseliny a etanolu, který rozloží složku reaktoplastu, pozn. red.).
Ano, to je docela unikát, uhlíkové kompozity dospěly do stadia, že se recyklují. Zkrátka už dosluhují první výrobky z nich, takže se řeší, jak je recyklovat. Masové rozšíření uhlíkových vláken nastalo v letectví někdy v 70. a 80. letech, dnes už to zas dospělo do extrému, že jsou letadla celá z uhlíku. Letadla musí být co nejlehčí. Když máte lehké letadlo, vejde se do něj víc paliva a víc pasažérů. U recyklace je hlavním problémem, jak z těch vláken dostat zmiňovanou pryskyřici. Recyklovat uhlíková vlákna je obecně velmi nákladné. Musíte to dotovat, aby si výstupní produkt někdo koupil, takže ekonomicky nic moc.

Nejsem úplně odborník na recyklaci uhlíkových vláken, existují i chemické cesty, ale myslím si, že se ta pryskyřice hlavně vypaluje (pyrolýza, pozn. red.). Je otázka, zda je to to pravé ořechové. Produktem pyrolýzy je surové vlákno bez povrchové lubrikace, které muselo projít vypalovacím cyklem. Uhlíkové vlákno však na vzduchu, tedy v oxidační atmosféře, degraduje už při 400 °C a více, což je poměrně nízká teplota. Kdybyste ho měla v inertní atmosféře, třeba v dusíku, vydrží i 1500 °C. Vlákno už tudíž nemá mechanické parametry toho původního. Nachází ale využití třeba jako plnivo termoplastů. Recyklovaná vlákénka se nasekají na milimetrové kousíčky, zamíchají se do termoplastu a ten tím může získat nějaké lepší mechanické vlastnosti.

A vy je stejně tak využíváte ve směsi s geopolymerní pryskyřicí?
Ano, vznikne směs připomínající husté těsto, které se vtlačuje do forem – technologie BMC (Bulk Molding Compound). Dají se tak třeba dělat lopatky žárově odolných ventilátorů.

Recyklované uhlíkové vlákno

Jaký je způsob výroby panenských uhlíkových vláken?
Nejčastěji z vlákna polyakrylonitrilu (PAN), běžné vlákno v textilním průmyslu. Zjednodušeně řečeno: vlákna z PAN se nějakým způsobem předepnou a pak se řízeně spalují v inertní atmosféře asi na 1200 °C, kdy zuhelnatí. Při uhelnatění vytvářejí PAN molekuly uhlíku, které jsou mezi sebou dobře svázané. Pak je to čistě spálený uhlík. Tím se získávají ta nejkvalitnější. Další způsob je tažení vláken z ropných zbytků. Tím se získávají nitky, které se pak zase uhelnatí. Ale tato vlákna nejsou tak kvalitní. Uhlíková vlákna teď pronikají hodně i do automobilového průmyslu. Snižují hmotnost auta, ale pro masové použití jsou pořád drahé. Takže je teď zase obrovská snaha nalézt co nejlevnější způsob výroby uhlíkového vlákna.

Uhlík v hlavní roli

Impregnace uhlíkové tkaniny pryskyřicí ve formě

V případě letadel jste mluvil o kusové výrobě. U aut jde o miliony kusů. Jak by se řešila otázka ekologie při výrobě aut?
Problémem je opět pryskyřice. Vyvíjejí se i takzvané zelené epoxidové nebo polyuretanové pryskyřice, které by měly být přátelštější k recyklaci. Lépe se ale recyklují termoplastické pryskyřice. Reaktoplastové se nerecyklují, ale z kompozitu se vypalují – nedají se znovu použít. Oboje jsou však na ropné bázi.

Hlavními výhodami vašeho geopolymerního pojivového systému oproti doposud využívaným, hlavně reaktoplastovým pryskyřicím je neprodukce zplodin při hoření a vstupní surovina. Mohl by se uplatnit i jinde než při výrobě letadel?
Ano, určitě by se našlo uplatnění geopolymerů i v automobilech.

Při vývoji kompozitů narážíte i na řadu slepých uliček. Asi nejen pro letecký průmysl je při výrobě kompozitů snaha co nejvíce snížit jejich hmotnost. Na trhu se v minulosti například objevila tkanina z dutých skleněných vláken. Nyní už se shání velmi špatně. Jaká skrývá úskalí?
Toto duté skleněné vlákno je spíš kuriozita, moc se nepoužívá. Jeho výroba vypadá tak, že v trysce, kterou se protlačuje sklovina, je trn, takže ven leze trubička. Při lisování kompozitu do těchto dutinek zatéká pryskyřice. Je tedy nutné ořezat okraje dílu, přičemž vzniká zbytečné množství odpadu. Dále je tu problém se střídáním horka a vlhka, největším zabijákem kompozitů. Když do dutinek vlákna, do srdce laminátu, vnikne vlhkost, začne tam dělat paseku.

V praktickém použití jsem narazil pouze na výrobce lyží, který se chlubil dutými skleněnými vlákny jako kosmickým materiálem, šlo však spíše o marketingový tah. Z hlediska výroby kompozitů nemá velký význam. Na trhu je spousta lehčích vláken, než jsou skleněná, nemá proto smysl dělat dutá skleněná, když můžete použít uhlíková nebo aramidová.

Protnula se vaše práce někdy s někým z tvůrčí sféry z jiné oblasti?
Měli jsme tu člověka, který se nadchnul pro myšlenku vyrábět z uhlíkového kompozitu hudební nástroje. Má to své opodstatnění, protože uhlíkový kompozit dobře zní a dá se dobře naladit, záleží na skladbě vláken. S tím člověkem jsme dokonce rozjeli projekt, který měl krycí název Stradivari. On zjistil, že v USA je velká skupina středoškoláků, kteří chodí do lidušky a dřevěné nástroje jsou pro ně moc drahé. Takže si je půjčují, což je také drahé. A občas se stane, že se nějaký ten nástroj rozbije. Laminát opravíte mnohem snadněji než dřevo. Pro děti má výhodu i to, že jsou laminátové nástroje lehčí. Měl tedy myšlenku vyrobit lacinější nástroj z uhlíku, který by chrlil ve větším množství a zaměřil se na tento segment dětí v kurzech. Projekt ale v závěru neprošel, jedna ze zapojených firem neprošla auditem.

Experimenty s 3D tiskem

Co vás na vaší práci nejvíce těší?
Dost mě baví to, jaká je tu obrovská tvůrčí svoboda. Technické řešení si od začátku můžeme vymyslet unikátní a svoje. Každý projekt má nějaké zadání, nějaký plán, stanoví se výstupy – třeba patent nebo prototyp. Na rozdíl od jiných ústavů nebo škol je to u nás hodně praktické – tedy vedle psané studie na stole většinou leží prototyp.

S tím souvisí samozřejmě konstrukční návrh, výroba zkušebních panelů, zkoušky nového materiálu, výroba konstrukčních uzlů. Teď třeba koketujeme s 3D tiskem. Idea je vyrobit kompozitní výrobek úplně bez formy. Forma je hrozně zatěžující faktor, je drahá, trvá dlouho, než ji vyrobíte, musíte mít matečný model, uděláte pět výlisků a zakázka skončí. Cílem jednoho nového projektu je tedy nahradit formu 3D tiskem. 3D tisk je nositelem tvaru, do toho zakomponujeme kompozit a ten je nositelem přenosu síly.

Připravila: Barbora Tydlitátová, foto: Tomáš Rubín