Tato diplomová práce, jejímž autorem je Ing. Jan Kalina, se zabývá problematikou technologie Cold Spray a návrhem zařízení pro předehřev prášku pro tuto metodu. Práce byla obhájena v akademickém roce 2022/2023 pod vedením Ing. Lukáše Řehořka, Ph.D., s oponentem Mgr. Janem Čuperou, Ph.D. Přestože byla práce předložena k obhajobě, nebyla úspěšně obhájena a student získal známku F.
Oblast výzkumu a teoretická část
Cold spray je technologie, která spadá mezi termální nástřiky povlaků. Hlavní princip této metody spočívá v tom, že se stříkanému i podkladnímu materiálu zamezuje v dosažení teploty tání, čímž se snižuje míra oxidace povrchů. Jedná se o poměrně mladou technologii, na které stále probíhá intenzivní výzkum.
V teoretické části diplomové práce byla představena historie technologie Cold Spray a byly rozebrány vlivy různých technologických parametrů na výsledný nástřik. Tato část práce měla zahrnovat detailní zhodnocení dostupné literatury, představení výsledků předchozích studií a praktických aplikací týkajících se vlivu předehřevu na depoziční proces. Literární rešerše byla provedena, avšak rozsah této části je hodnocen jako nedostatečný, zejména co se týče hloubkové analýzy vlivu předehřevu na proces depozice.
Práce se zaměřuje na studenou kinetickou depozici (Cold Spray), což je nová metoda nanášení vrstev kovů. Práce jako celek má dostatečný rozsah pro diplomovou práci. Rešeršní část se opírá o literární zdroje a odborné články v anglickém jazyce od českých i zahraničních autorů. Z celkového počtu 38 citací odkazuje právě na tuto literaturu 19 zdrojů. Rešeršní část se zabývá historií metody Cold Spray, popisem podstaty depozice práškového materiálu na substrát a konstrukcí různých druhů systémů Cold Spray. Dále je v rešerši obsáhlá část věnovaná velkému množství parametrů depozice, které ve výsledku ovlivňují vlastnosti nástřiku, kdy je každý parametr popsán krátkým odstavcem umístěným v samostatné podkapitole. Vlivu předehřevu prášku na proces depozice se zabývá jedna krátká podkapitola v části věnované procesním parametrům a jedna podkapitola se věnuje popisu možného umístění ohřívače prášku.
Práce se také dotýká konceptů z oblasti statistiky a strojového učení, které jsou rozvíjeny i v jiných publikacích. Například výzkum v oblasti reliability v kontextu hlubokého učení ukazuje, že neexistuje shoda ohledně toho, jak by se měla reliabilita vyhodnocovat. Mezi teoretické přístupy vycházející z teorie pravděpodobnosti patří statistické testování reliability pro klasifikátor. V rámci této problematiky se objevují i nástroje pro vyčíslení vlivu škodlivých vzorů, neurčitosti v algoritmech hlubokého učení, nebo výpočetní metody pro propagaci chyby skrz sítě.
Další oblastí, kterou práce implicitně přesahuje, je lineární diskriminační analýza (LDA). Jedná se o populární statistickou klasifikační metodu, pro kterou byly navrženy různé regularizované verze pro vysoce dimenzionální data. Novější robustní regularizované verze LDA jsou rezistentní vůči přítomnosti odlehlých hodnot v datech a využívají robustní odhady střední hodnoty a varianční matice mnohorozměrných dat.
Praktická část a návrh zařízení
V praktické části diplomové práce byly pro požadované materiály stříkaného materiálu, různé teploty a další vstupní parametry Cold Spray nástřiku s pomocí rovnic z teoretické části získány potřebná data pro návrh zařízení. Na jejich základě je sestaven finální návrh zařízení předehřívače. Konkrétně bylo navrženo zařízení pro předehřev prášku až na teploty 650 °C s cílem minimalizovat zásah do současné konstrukce Cold Spray pracovní stanice na ÚMVI FSI VUT v Brně.
Hlavním problémem práce je však nedostatečný konstrukční návrh zařízení pro ohřev prášku v proudu dusíku. Tento návrh měl zahrnovat výkresovou dokumentaci a detailní konstrukční specifikace pro výrobu zařízení. Nebylo dostatečně řešeno například vedení svazků kabelů, které je důležité pro správné napájení a komunikaci mezi jednotlivými částmi zařízení. Také nebylo dostatečně zohledněno chlazení napájecí sekce boxu řízení, což může vést k přehřívání a omezení funkčnosti zařízení. Izolace topného elementu od vysokotlakého potrubí nebyla dostatečně specifikována, což může mít negativní dopad na spolehlivost a bezpečnost. Další nedostatky se týkují ergonomie boxu předehřívače a řízení, stejně jako upevnění a umístění boxů v rámci celého zařízení. Z těchto důvodů není konstrukční část práce dotažena do konce a nesplňuje požadavky na komplexní a detailní návrh zařízení pro ohřev prášku v proudu dusíku.
Práce je věnována také poměrně složitému výpočtu potřebného výkonu ohřívače a délky potrubí tak, aby bylo dosaženo potřebných výstupních parametrů. V teoretické části jsou využívány základní fyzikální rovnice popisující přenos tepla. Nicméně, vzhledem ke složitosti zvoleného systému a absenci slovního či obrazového popisu v průběhu prezentovaných výpočtů, dochází velmi brzy ke zmatení čtenáře a následné ztrátě orientace ve výpočtu. Dalším aspektem negativně ovlivňujícím dojem je fakt, že na začátku kapitoly byly některé fyzikální veličiny popsány v tabulce, ale v průběhu výpočtu se začnou objevovat další veličiny označené různými indexy, bez jakéhokoli popisu, o jakou veličinu se jedná.
Následně jsou teoretické výpočty aplikovány na příkladu iterativních výpočtů parametrů pro čtyři zvolené prášky. Celkový výsledek je však ovlivněn vážnou chybou pisatele již na začátku teoretických výpočtů u rovnice (6), díky které špatně vypočetl délku potrubí dostatečnou pro ohřev prášku na zvolenou teplotu. Chybou ve výpočtu dospěl k výsledku o víc jak 40 % kratší délky potrubí, než by bylo potřeba k dostatečnému ohřevu.
Návrh konstrukce celého zařízení se skládá z návrhu geometrie potrubí, konstrukce boxu předehřívače, boxu řízení a potřebné řídící elektroniky, senzoriky a topné soustavy. Autor se potýkal s velice složitým systémem výpočtů, kdy základní systém rovnic není složitý, ale komplikace přináší složitost celého systému, i když došlo k celé řadě zjednodušení a idealizací systému. S tímto problémem se autor vypořádal obstojně, ale hlavním problémem této části je tristní prezentace.
Dále se autor potýkal s návrhem systému ohřívače, který se však nedá označit za nejelegantnější a nejjednodušší možné řešení. Lze nalézt i jednodušší možnosti konstrukce, které by omezily rozměrovou náročnost a tepelné ztráty celého systému, zjednodušily by možnost servisu celého zařízení a snížily by riziko možné poruchy.
Průběh obhajoby a hodnocení
Student ve vymezeném čase prezentoval svou diplomovou práci. Poté byly předneseny posudky a student odpověděl na otázky oponenta. Mezi otázky k obhajobě patřily například:
- Na str. 14 uvádíte, že helium jako nosný plyn, oproti dusíku, urychluje částice prášku na vyšší rychlosti. Čím je to způsobeno?
- V úvodu hovoříte o tom, že zvýšení teploty prášku lze docílit několika cestami, z nichž jedna je přidání předehřívače mezi podavač a CS dělo. Mohl byste se zmínit i o dalších metodách ohřevu prášku před depozicí?
- Na str. 42 popisujete postup iterativního výpočtu parametrů závislých na teplotě (součinitel prostupu tepla, tepelný odpor). Výpočet provádíte tak, že zvolíte nějakou počáteční teplotu, provedete výpočet hodnoty parametru a novou teplotu. V druhém kroku využijete nově vypočtenou teplotu. Ve finále hodnoty počítaných parametrů konvergují k určité hodnotě. Záleží na zvolení počáteční hodnoty teploty? Mohlo by se při špatně zvolených počátečních podmínkách stát, že by funkce byla divergentní a nešlo by dopočítat výslednou hodnotu veličiny?
Práce byla zkontrolována a zaznamenána v systému v průběhu roku 2020 a 2021. Celkově je hodnocena schopnost autora interpretovat dosažené výsledky, ale zároveň je poukazováno na nedostatky v literární rešerši, v konstrukčním návrhu zařízení a v prezentaci výpočtů.
Student prokázal během tvorby práce samostatnost při řešení dílčích problémů a schopnost rozumět anglické literatuře. Jsem přesvědčen, že je schopen zadaný problém dobře vyřešit.
Klíčová slova uvedená v abstraktu práce jsou: Cold spray, předehřev, prášek, návrh, předehřívač.