LETNIK 06
• ŠT. 01/02
2017
JUNIJ/JULIJ
svetstrojništva Zveza Strojnih Inženirjev Slovenije
Mechanical EngineeringWorld Association of Mechanical Engineers of Slovenia
PREDSTAVLJAMO: • Vzbujanje valovanja kapljevine • Melanoma-malignant skin cancer • Periodične površinske strukture • Aktivnosti z infrardečo kamero • Intervju: mag. Rudi Kragelj • Prof. Jacopo Buongiorno (MIT) • Lasersko varjenje • Formula Student - UL
ZSIS
UREDNIŠKI ODBOR Mednarodni uredniški odbor, International editorial board:
s l o v e n i j e
w w w . z v e z a - z s i s . s i
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22.
Prof. Cristina H. Amon, University of Toronto Assoc. Prof. Daniel Attinger, Iowa State University Assoc. Prof. Ivan Bajsić, University of Ljubljana Prof. Janez Diaci, University of Ljubljana Assoc. Prof. Nazanin Emami, Luleå University of Technology Prof. Iztok Golobič, University of Ljubljana Assist. prof. Peter Gregorčič, University of Ljubljana Assist. Prof. Mirko Halilovič, University of Ljubljana Assoc. Prof. Niko Herakovič, University of Ljubljana Prof. Matjaž Hriberšek, University of Maribor Assoc. Prof. Matija Jezeršek, University of Ljubljana Prof. Mitjan Kalin, University of Ljubljana Assoc. Prof. Janez Kušar, University of Ljubljana Asist. Prof. Nenad Miljkovic, University of Illinois Assist. prof. Nikolaj Mole, University of Ljubljana Prof. Adian Morina, University of Leeds Prof. Marko Nagode, University of Ljubljana Prof. Greg F. Naterer, Memorial University of Newfoundland Prof. Zoran Ren, University of Maribor Prof. Khallil Sefiane, The University of Edinburgh Assoc. Prof. Roman Šturm, University of Ljubljana Prof. Bruno Trindade, University of Coimbra
z v e z a
s t r o j n i h
i n ž e n i r j e v
SVET STROJNIŠTVA
KAZALO UVODNIK • Uvodnik junij/julij 2017 • Testiranje možnosti vzbujanja valovanja kapljevine v viali v povezavi z njeno lastno frekvenco
4
• Correlation among the ozone layer thickness 10 and the incidence of melanoma-malignant skin cancer • Lasersko povzročene periodične površinske 18 strukture pri teksturiranju z nanosekundnimi laserskimi bliski • Spremljanje aktivnosti učencev z infrardečo kamero
26
V SREDIŠČU • Slovenijo prvič obiskal profesor Jacopo Buongiorno (MIT)
32
• Interview: Jacopo Buongiorno
33 36
• Intervju – mag. Rudi Kragelj, direktor podjetja Hidria AET
39 • Lasersko varjenje, ključna tehnologija novih 40 • DEWESoft
Svet strojništva (ISSN-2350-3505), revija, je vpisana v razvid medijev, ki ga vodi Ministrstvo za kulturo RS, pod zaporedno številko 872. Revija je brezplačna za člane Zveze strojnih inženirjev Slovenije, podjetja, izobraževalne ustanove in drugo zainteresirano javnost na območju Republike Slovenije.
• Pisanje barv in barvnih odtenkov
Revija Svet strojništva je dosegljiva tudi na internetni strani v elektronski obliki pod www.zveza-zsis/svetstrojništva. Copyright © Svet strojništva.
3
ZNANOST NA DLANI
Na naslovnici: “Infrardeča termografija uporabe mobilnega telefona” Odgovorni urednik: Iztok Golobič Urednica: Andreja Cigale Tehnični urednik: Žiga Zadnik Lektoriranje: Andreja Cigale Ime in sedež založnika: ZSIS, Karlovška cesta 3, 1000 Ljubljana Leto izida publikacije: 2017 Leto natisa ali izdelave publikacije: letnik 06, št. 01/02 Število natisnjenih izvodov: 150 Informacije so točne v času tiska. Preverite www.zveza-zsis.si za posodobitve.
Objavljeni avtorski prispevki v promocijskem delu revije Svet Strojništva izražajo mnenja in stališča avtorjev in ne izražajo nujno tudi mnenja uredniškega odbora ali izdajatelja. Avtorske pravice za revijo Svet strojništva so last izdajatelja. Uporabniki lahko prenašajo in razmnožujejo vsebino zgolj v informativne namene, ob pisnem soglasju izdajatelja.
2
KAZALO
izdelkov
• Mentor leta 2016
43
INFORMATOR • Od zasnove do uspeha - Formula Student Univerze v Ljubljani
44
JEZIKOVNI ODTENKI 47
VABILO NA DOGODEK • Akademija strojništva 2017
48
UVODNIK UVODNIK
junij/julij 2017
Spoštovani, z v e z a
Revija Svet strojništva iz leta v leto napreduje, poglablja vsebine in se vedno bolj spogleduje tudi s tujino. V tokratni dvojni številki revije si lahko preberete pogovor s profesorjem Jacopom Buongiornom, ki prihaja iz ugledne univerze (MIT, ZDA), ene od vodilnih znanstvenih in tehnoloških ustanov na svetu, posebno na področjih naravoslovja in tehnologije. Predstavljamo tudi podjetje Hidria AET ter pogovor z njenim direktorjem mag. Rudijem Kragljem, ki je vodenje podjetja prevzel pred dobrim letom. Prijetno branje vam želimo!
s t r o j n i h i n ž e n i r j e v s l o v e n i j e
Uredništvo Svet strojništva
w w w . z v e z a - z s i s . s i
Prelistajte Svet strojništva tudi na spletu: www.zveza-zsis.si/svetstrojnistva Povabilo k sodelovanju:
www.zveza-zsis.si/svetstrojnistva/ 3 3
ZNANOST NA DLANI Testiranje možnosti vzbujanja valovanja kapljevine v viali v povezavi z njeno lastno frekvenco w w w . z v e z a - z s i s . s i
Wave excitement in a liquid in a vial in conjunction to its’ natural frequency Natan Dominko Kobilica a, Matevž Zupančič b, Tadej Novakovič b, Jurij Prezelj b, Iztok Golobič b* b
a Gimnazija Bežigrad, Peričeva ulica 4, 1000 Ljubljana, Slovenija Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, Aškerčeva 6, 1000 Ljubljana, Slovenija
s l o v e n i j e
*Korespondenčni avtor: Iztok Golobič Univerza v Ljubljani Fakulteta za strojništvo Aškerčeva 6 1000 Ljubljana Slovenija
Mechanical Engineering World – 4 Journal homepage: www.zveza-zsis.si/ Article info Article history: Received 2nd July 2017 Received in revised form 12th July 2017 Accepted 19th July 2017 Available online 31th July 2017
Tel.: +386 1 4771 420 E-pošta: iztok.golobic@fs.uni-lj.si
z v e z a
s t r o j n i h
i n ž e n i r j e v
Kratki znanstveni prispevek / Short scientific paper
Povzetek
Abstract
V članku je predstavljena raziskava, ki je bila narejena na temo lastne frekvence viale in njene potencialne uporabe v farmaciji pri procesu liofilizacije. Raziskava je razdeljena na dva dela; v prvem smo iskali akustično lastno frekvenco viale v odvisnosti od višine kapljevine v njej s pomočjo modela Helmholtzovega resonatorja in prenosne funkcije, v drugem pa smo iskali lastno mehansko frekvenco viale same. Pri slednjem delu raziskave smo proučevali tudi kako raven zvočnega tlaka vpliva na amplitudo in hitrost vibracij na viali. V prvem delu so izmerjene vrednosti z izjemno natančnostjo sledile teoretičnemu modelu, v drugem pa smo ugotovili lastno mehansko frekvenco, ki znaša 98,3 Hz ± 1,1 Hz.
This journal presents the research done on the topic of the natural frequency of a vial and its’ potential usage in pharmaceutical industry namely in the process of dry-freezing also known as lyophilisation. The research is separated into two parts. Firstly we were interested in the acoustic natural frequency of the vial in relation to the capacity of the liquid inside it. The Helmholtz resonator model was used as the theoretical basis and the transfer function as the experimental basis. The results matched with high accuracy. The second part of the research was focused on the mechanical natural frequency of the vial itself. We ascertained the natural mechanical frequency at 98,3 Hz ± 1,1 Hz. The sound pressure level effects on the vials’ vibration amplitudes were also investigated.
Ključne besede: lastna akustična frekvenca; lastna mehanska frekvenca; Helmholtzov resonator; laserski vibrometer
Keywoards: acoustic natural frequency; mechanical natural frequency; Helmholtz resonator; laser Doppler vibrometer
1. Uvod
Vzbujanje valovanja na površini kapljevine v vialah ima veliko uporabno vrednost, kot na primer pri liofilizaciji. Ključna in najbolj kritična točka liofilizacije je zamrzovanje. Ko je več vzorcev ohlajenih pod 0 °C, se nukleacije ne dogajajo kontrolirano oziroma hkrati na vseh vzorcih. Manjše vibracije na kapljevini sprožijo nukleacijo in tako
4
SCIENTIFIC PAPER omogočajo bolj kontrolirano zmrzovanje. [1]
Raziskava je potekala v dveh fazah:
Formule, ki opisujejo model so naslednje: 1. Helmholtzov resonator:
(1)
2. Hitrost zvoka v plinu*:
(2)
3. Končni popravek**:
(3)
4. Gostota plina:
(4)
w w w . z v e z a - z s i s . s i
Teoretični model za frekvenco Helmholtzovega resonatorja je dokaj preprost. Frekvenca zvoka je odvisna poleg spremenljivk medija (plina) le od dimenzij resonatorja; presek vratu, volumen telesa, dolžine vratu ter oblike vratu, ki se upošteva kot končni popravek. Vse oznake, enote in količine za naš specifični poskus so predstavljene v preglednici 1.
Pomen Adiabatni eksponent Tlak v mediju (zraku) Gostota medija (zraka) [enačba (4)] M 29 kg/kmol Molska masa medija (zraka) R 8310 J/(kmolK) Splošna plinska konstanta T 294 K Temperatura medija (zraka) S 122,7 mm^2 Ploščina preseka vratu viale S1 530,9 mm^2 Ploščina preseka telesa viale l 11 mm Višina vratu viale d 12,5 mm Premer vratu viale d1 26 mm Premer telesa viale c 343,431 m/s Hitrost zvoka v mediju [enačba (2)] l1 21 mm [Glej enačbo (3)] H 45 mm Višina telesa viale Legenda barv preglednice: -izmerjeni podatki -podatki iz ostalih virov -podatki, izračunani iz ostalih podatkov
s l o v e n i j e
2. Lastna akustična frekvenca
Enota / kgm/s^2 kg/m^3
i n ž e n i r j e v
2. V drugi fazi smo na gladini kapljevine v viali valovanje poskušali vzbuditi z vibracijami viale. Iskali smo torej lastno frekvenco viale same, ker se pri le-tej vibracije v največji meri prenesejo tudi na vsebovano kapljevino. Vialo smo postavili v zvočno polje z zvezno linearno spreminjajočo se frekvenco. Vibracije na zunanji strani viale smo beležili z laserskim vibrometrom. Testirali smo tudi odzivnost pri različnih višinah vode v viali.
Vrednost 1,4 101300 1,202
s t r o j n i h
1. V prvi fazi smo se osredotočili na lastno akustično frekvenco vial. Pri tem smo vialo obravnavali kot Helmholtzov resonator. Uporabljali smo meritev frekvenčnega odziva oziroma prenosno funkcijo. Na lastno frekvenco vpliva mnogo faktorjev kot so različni čepi in različne oblike vratu. Posledično smo upoštevali različne popravke, da smo rezultate čimbolj približali teoretičnemu modelu. Vialo smo postavili v zvočno polje z frekvenco, ki je enaka njeni lastni in od blizu opazovali površino vode v viali s hitrotekočo kamero Photron UX100.
Oznake κ p ρ
z v e z a
Da bi za vzbuditev našli kar se da elegantno metodo, smo proučevali možnosti, kako bi z zvočnim poljem vzbudili valovanje na kapljevini oziroma vibracije viale same, ki se nato prenesejo na kapljevino v njej. Naš cilj je bil najti lastno frekvenco kapljevine v viali oziroma viale same, da bi tako tudi z zvokom z manjšo glasnostjo uspeli vzbuditi valovanje na kapljevini.
Preglednica 1: Spremenljivke v prvi fazi eksperimenta, njihove vrednosti ter pomeni
*Enačbi veljata za idealen plin **Končni popravek (ang. End correction) je dodatek dejanski dolžini resonančnega tulca, izražen z premerom tulca samega, da je dobljena frekvenca natančnejša. Eksperiment smo zasnovali tako, da smo s pomočjo dveh omnidirekcionalnih kondenzatorskih mikrofonov, priključenih na merilno kartico Behringer UMC204HD. Eden od mikrofonov je bil vstavljen v vialo, drugi pa je bil nameščen v neposredni bližini viale. Med meritvijo smo ustvarili tudi zunanje zvočno vzbujanje v obliki belega šuma. Ker viala deluje kot Helmholtzov resonator, je bil mikrofon, ki je bil vstavljen v vialo, podvržen lastni akustični frekvenci le-te. Po spektralni analizi signalov s Fourierjevo transformacijo, smo opazovali razmerje med obema signaloma. Na izrisu spektrograma v logaritemski skali smo tako lahko opazili izraziti vrh pri lastni akustični frekvenci viale. 5
ZNANOST NA DLANI
Slika 1: Demonstrativen primer analize izmerjenih signalov zunaj (1. kanal) in znotraj (2. kanal) viale ter razmerje kanalov (2/1)
i n ž e n i r j e v
s l o v e n i j e
w w w . z v e z a - z s i s . s i
Primer meritve je viden na sliki 1. Kapljevina v viali zmanjšuje volumen zraka v njej, kar vpliva na lastno akustično frekvenco viale. Na sliki 2 vidimo kako se lastna akustična frekvenca viale spreminja z višino kapljevine v njej. Parameter končnega popravka (v enačbi 3 natisnjen krepko) je izbran 0,4, ker je tako vidno najboljše ujemanje. Za drugačne vrste Helmholtzovega resonatorja bi morali uporabiti druge vrednosti tega parametra.
z v e z a
s t r o j n i h
Slika 2: Slika 2: a) Primerjava teorije in izmerjenih vrednosti lastne akustične vrednosti viale (brez čepa) b) Primerjava lastnih akustičnih frekvenc viale s čepi A in B
Kot vidimo se teorija in praksa ujemata skoraj popolnoma (povprečno relativno odstopanje je le 0,6 %).
S končnimi popravki smo formulo za Helmholtzov resonator predelali tako, da se ujema tudi z meritvami s čepi.
Na sliki 2 b) pa opazimo da na lastno akustično frekvenco vpliva tudi delna zaprtost viale. Čep A ima dve luknji, ko delno zapira vialo, čep B pa eno luknjo. Na sliki 3 sta vidna čepa A in B.
Ko smo torej dokazali, da je v viali vzpostavljeno zvočno polje s kontrolirano frekvenco, smo testirali prenos nihanja ravni zvočnega tlaka na površino vode v viali. Hitrotekočo kamero Photron UX100 smo usmerili in fokusirali na gladino vode v viali. Število slik na sekundo (FPS) smo nastavili na 5000. Postavili smo jo v zvočno polje s frekvenco, ki bi bila po naših izračunih in meritvah lastna frekvenca viale pri tej višini vode v viali. Za večjo zanesljivost smo vialo obdajali z vsemi frekvencami, ki so se od predvidene lastne akustične frekvence razlikovale za manj kot 600 Hz. Pri nobeni frekvenci nismo opazili valovanja na vodi.
Slika 3: Slika 3: Čepa A (na desni) in B (na levi) 6
SCIENTIFIC PAPER 3 Lastna mehanska frekvenca viale
z v e z a
Ker je viala nepravilnih kompleksnih oblik je teoretičen rezultat praktično nemogoče pridobiti. Ocenili smo, da se vrednost lastne mehanske frekvence viale giblje med 50 Hz in 200 Hz. Zato smo programsko opremo nastavili tako, da je zvočnik v 10 sekundah zvezno linearno predvajal frekvence od 50 Hz do 200 Hz. Laserski vibrometer smo usmerili na sredino telesa viale, ki je visela pred mikrofonom. Postavitev je zabeležena na sliki 4. Slika 5: Eliptične deformacije in smer širjenja zvoka
s t r o j n i h
Podatki so izmerjeni s frekvenco merjenja 50 kHz, na vsako sekundo pa je izdana povprečna RMS vrednost, ki smo jo pretvorili v maksimalne hitrosti vibriranja po enačbi (6). Podatki so predstavljeni na sliki 6.
i n ž e n i r j e v
(6) kjer je v _ hitrost, ki jo pokaže vibrometer, v_0 pa maksimalna hitrost vibriranja. Slika 4: Postavitev eksperimenta
Za zrak in steklo (n1 = 1,0 in n2 = 1,5) je delež odbitih žarkov res 4 %. Glede na postavitev predvidevamo, da so vibracije na viali povzročile deformacijo viale v horizontalni smeri. Deformacije preseka so prikazane na sliki 5. Z laserskim vibrometrom smo tako izmerili hitrosti vibracij v odvisnosti od frekvence za različne višine vode v viali (preglednica 2).
Delež vode v viali [/] 0,08 0,19 0,30 0,44 0,59 0,76
w w w . z v e z a - z s i s . s i
R je delež odbitih žarkov, n1 in n2 pa sta lomna količnika medijev, med katerima prehaja svetloba.
Nivo 1 2 3 4 5 6
Slika 6: Hitrost vibriranja v odvisnosti od frekvence
(5)
Preglednica 2: Legenda deležev vode v viali; ker je viala valjaste oblike, je delež volumenski in višinski (polna viala ima volumen 23,9 ml in višino 45 mm)
s l o v e n i j e
Ker laserski vibrometer deluje na podlagi refleksije in Dopplerjevega pojava, bi ob pravokotni osvetlitvi odbil le približno 4 % žarkov [glej enačbo (5)]. Zato smo nanj pritrdili odbojni lepilni trak.
7
ZNANOST NA DLANI Slika 7: Maksimalna hitrost in korespondenčna frekvenca v odvisnosti od deleža vode v viali
w w w . z v e z a - z s i s . s i
Maksimalne hitrosti pri različnih višinah vode v viali so dosežene pri zelo podobnih frekvencah (vse so v intervalu med 120 Hz in 130 Hz) in z deležem višine vode v viali padajo hitrosti nihanj (slika 6 in slika 7).
s l o v e n i j e
Če vzamemo povprečje dobljenih frekvenc, ugotovimo, da so maksimalne hitrosti v povprečju dosežene pri 124 Hz. To pa seveda ni lastna mehanska frekvenca viale. Lastna frekvenca je tista, pri kateri so odmiki, torej amplitude vibracij viale največje. Ker je bilo vzbujeno zvočno valovanje sinusno, smo lahko krožno frekvenco nihanja viale izračunali iz frekvence zvoka [enačba (7)]. Iz hitrosti in frekvence smo tako z integriranjem dobili zvezo (8).
i n ž e n i r j e v
(7) (8)
s t r o j n i h
Kjer so ω krožna frekvenca, f trenutna frekvenca zvoka, v izmerjena hitrost, s pa trenutni pomik oziroma amplituda vibriranja.
z v e z a
Slika 8. Amplituda v odvisnosti od frekvence
Dobili smo 8 serij podatkov, vsako za svoj delež višine vode v viali, ki pa imajo vse vrh pri podobni frekvenci (slika 8).
8
Frekvence, pri katerih je dosežena največja amplituda v odvisnosti od višine vode, so prikazane na naslednji sliki 9. Prav tako spreminjanje amplitude v odvisnosti od deleža višine vode v viali. Vključena je tudi povprečna frekvenca, ki je iskana lastna frekvenca in znaša 98,3 Hz z relativnim povprečnim odstopanjem 1,1 %. Lastna mehanska frekvenca viale je torej:
V nadaljevanju nas je zanimalo tudi, kako glasnost zvoka vpliva na amplitudo vibracij viale, zato smo zasnovali poskus s podobno postavitvijo, le da je bil tokrat nujen tudi mikrofon, ki je omogočal primerjanje glasnosti. Rezultati so predstavljeni na naslednji sliki (10). Funkcije z najboljšim ujemanjem so eksponentne funkcije. A ker je lestvica ravni zvočnega tlaka (SPL) logaritemska, kot prikazuje enačba 9, je amplituda dejansko linearno povezana z intenziteto zvoka. Izpeljava povezave: (9) Enačba 9 opisuje povezavo med intenziteto zvoka j in ravnjo zvočnega tlaka β v dB. j0 pa je dogovorjena referenčna intenziteta zvoka 10-12 W/m2, ki naj bi bila najmanjša človeku zaznavna
SCIENTIFIC PAPER
s t r o j n i h
Slika 9. Maks. amplituda in korespondenčna frekvenca v odvisnosti od deleža vode v viali
z v e z a
intenziteta zvoka. Ker vidimo, da sta raven zvočnega tlaka in intenziteta zvoka v logaritemski povezavi ter amplituda vibracij na viali in raven zvočnega tlaka v eksponentni povezavi, lahko zaključimo, da sta amplituda vibracij na viali in intenziteta zvoka v linearni zvezi.
i n ž e n i r j e v s l o v e n i j e
4 Zaključki Narejene raziskave so bile gledano na natančnost zelo dobre; izmerjene vrednosti so se zelo dobro (z največjim relativnim odstopanjem 1,1 %) ujemale s teoretičnimi modeli. Uspešno smo ugotovili kako se spreminja lastna akustična frekvenca viale z višino kapljevine v njej. Lastna mehanska frekvenca po naših ugotovitvah ni odvisna od količine vode v njej. Lastna mehanska frekvenca opazovane viale je tako 98,3 Hz ± 1,1 Hz. Voda je po naših opažanjih le dušila vibracije, kar je povzročilo manjše amplitude pri večji napolnjenosti viale. Delež napolnjenosti viale in amplituda vibracij sta povezana linearno. Ugotovili smo tudi, da se z ravnjo zvočnega tlaka (SPL) eksponentno spreminjata amplituda in hitrost vibracij na viali. Ker za začetek nukleacije niso potrebne velike vibracije, je tudi uporabna vrednost raziskave dosežena, saj smo uspešno pokazali možnost
w w w . z v e z a - z s i s . s i
Slika 9. a) Amplituda v odvisnosti od ravni zvočnega tlaka (SPL) pri mikrofonu z avtomatično vstavljenimi najbolje ujemajočimi funkcijami b )Hitrost v odvisnosti od ravni zvočnega tlaka (SPL) pri mikrofonu
vzbujanja vibracij na viali in posledično v kapljevini v viali v povezavi z lastno frekvenco.
Zahvale Nepogrešljiva pri raziskavi sta bila tudi študenta Matic Može in Domen Žalec iz Laboratorija za toplotno tehniko (LTT), ki sta opravila velik del prve faze poskusa. Zahvaljujemo se jima za izkazano pomoč in čas, ki sta ga posvetila raziskavi. Pri meritvah s hitrotekočo kamero nam je pomagal Gael Jaouen, ki se mu na tem mestu za izkazano pomoč zahvaljujemo.
Literatura [1] M. Dalvi-Isfahan, N. Hamdami, E. Xanthakis, A. Le-Bail, Review on the control of ice nucleation by ultrasound waves, electric and magnetic fields, Journal of Food Engineering 195 (2017) 222-234. 9
ZNANOST NA DLANI CORRELATION AMONG THE OZONE LAYER THICKNESS AND THE INCIDENCE OF MELANOMA-MALIGNANT SKIN CANCER
w w w . z v e z a - z s i s . s i
Nejc Cimerman, Franc Cimerman
Mechanical Engineering World – 10 Journal homepage: www.zveza-zsis.si/
*Korespondenčni avtor: Nejc Cimerman Pod gozdom 2, Zg.Besnica
Article info Article history: Received 27 June 2017 Received in revised form 12th July 2017 Accepted 19th July 2017 Available online 31th July 2017
E-pošta: cimerman.nejc11@gmail.com
s l o v e n i j e
Kratki znanstveni prispevek / Short scientific paper
1. Introduction
z v e z a
s t r o j n i h
i n ž e n i r j e v
As the cancer is still one of deadliest, least-known and human-vulnerable diseases of the modern era, understanding and tracing its development and factors affecting it is crucial for the future improvements in the medical-pharmaceutical sciences. Deadliest among all the cancerous diseases is less frequent type of skin cancer – melanoma malignant skin cancer. Although melanoma skin cancer cases present only 4% of skin cancer cases annually, they are responsible for 77% of total deaths among the skin cancer. This astonishing and concerning facts led the research to the origin and causation of the illness, which are strongly correlated with the exposure to the harmful Sun UV radiation. This radiation varies around the globe, as the ozone layer thickness over the geographical areas differs. The research therefore focuses on observing different populations around the globe with varying average annual ozone layer thickness values and varying races, which are chosen applying strict criteria ensuring the accuracy of the results. Main focus of the research is how significantly is the number and mortality of annual melanoma skin cancer in correlation with the factors of average annual ozone layer thickness over the observed countries, and with the country´s dominant population skin pigmentation, observing representative populations of ethno-linguistically and class groups inside of the three main races (Caucasoid, Negroid and Mongoloid). 10
2. Aim The aim of research is to compare and contrast populations around the globe in the annual number of malignantmelanoma skin cancer and its mortality rate. The effect of both grounds (the ozone layer thickness over the observed country and skin pigmentation of country´s dominant race) behind the country´s malignant melanoma skin cancer figures is examined, compared and evaluated throughout the investigation. Populations around the globe were firstly chosen on the basic base of three (four [1]) major races according to the Carleton S. Coon´s referencing of races: Caucasoid, Negroid and Mongoloid1. Striving to include as much populations, increasing the sample and biodiversity of the races, populations of the various ethno-linguistic groups or subclasses were used in research (e.g. Negroid race was divided into subclasses Congoid and Capoid), applying following rules: 1. observed populations were picked as to the number of subclasses or ethno-linguistic groups inside the each of the races (Caucasoid - 4 groups, Mongoloid – 1 group and 2 subclasses, Negroid – 2 subclasses), including 2 populations, where current dominant race is not the indigenous race of the country (Australia and New Zealand) 2. at least 90% of country´s population consists of
SCIENTIFIC PAPER one dominant race [3], 3. within the observed race: countries chosen have their majority´s origin of various subclasses or ethnolinguistic groups, 4. country is developed according to the standards of region or continent, has sufficient healthcare system and consequently developed disease (melanoma skin cancer) tracking and statistics.
Ozone layer is naturally occurring shield of the ozone molecules, with most of the atmospheric’ s ozone (90%) being located in the stratosphere. The layer itself is on one hand remarkably thin, varying around the globe from approximately 200 – 350 Dobson Unit, which roughly translates to 2-3,5 millimetres thick ozone layer and the ozone molecules are extremely rare molecules in the atmosphere, however it is on the other hand vital shield in the atmosphere, due to complete absorption of the severely harmful short-wavelength UV-C rays (100-280 nm), and partially absorbs harmful semi-short wavelength UV-B rays (280-315 nm). The shortest wavelength of the UV radiation - UV-C rays are therefore completely absorbed by the ozone molecules preventing cancerous causing radiation to reach the Earth’s surface. Meanwhile the second part of UV radiation – UV-B radiation is scientifically proven by laboratory and epidemiological studies, that
w w w . z v e z a - z s i s . s i
4.1 Ozone layer
s l o v e n i j e
4. Background information
i n ž e n i r j e v
Incidence of annual malignant-melanoma skin cancer cases is increasing as the annual average ozone layer thickness (in Dobson Unit) is decreasing; since thicker ozone layer absorbs less skin harmful UV-B radiation [7]. Incidence of annual malignant- melanoma skin cancer cases also increases, as the skin pigment observed is becoming brighter (Caucasoid > Mongoloid >Negroid), due to significant lack of skin pigmentation of Caucasian populations compared to dark-skinned populations [8].
s t r o j n i h
3. Hypothesis
As the ozone being one of the essential vital molecules, it´s condition in the Earth´s atmosphere has to be monitored daily, in order to identify possible variations in monthly or annual averages comparing to averages of the previous years or months [9]. Ozone Total is measured by 500 worldwide measuring stations operating under World Ozone and Ultraviolet Radiation Data Centre, operating since the 1960s [10]. Stations are monitoring the total amount of ozone in the Earth´s atmosphere in special Dobson unit, which is the most common measure of ozone layer thickness. Dobson unit is defined the number of molecules of ozone that would be required to create a layer of pure ozone 0.01 millimetres thick at a temperature of 0 degrees Celsius and a pressure of 1 atmosphere [11]. The most accurate and reliable source in researching the ozone layer thickness was Environment and Climate Change Canada, which is one world´s leading institutes in the yield of ozone layer thickness. Source site uses data of the pre-mentioned 500 worldwide measuring stations, which are operating under the World Ozone and Ultraviolet Radiation Data Centre; with the primary data shown on the maps is researched era from 1978-1988. Nevertheless, maps are being updated every 10 years showing new trends of the decade, therefore including the data of past two decades with last two updates: June 1998 and 2007 [12].
z v e z a
As to the stated criteria, following populations were chosen to investigate: Poland (Caucasoid; *[4] Slavic), Denmark (Caucasoid; *Germanic), Portugal (Caucasoid; *Latin), Australia (Caucasoid; *Celtic/Germanic [5]), New Zealand (Caucasoid; *Celtic/Germanic), Saudi Arabia (Caucasoid; *Arabic), Mexico (Mongoloid; *Hispanic), Japan (Mongoloid; Sinodont), Indonesia (Mongoloid; Sundadont [6]),Gabon (Negroid; Congoid), Botswana (Negroid; Capoid).
UV-B radiation causes non-melanoma skin cancer, and plays major role in development of deadlier malignantmelanoma skin cancer to be harmful for human skin, and is therefore partially prevented by the ozone layer to reach the Earth´s surface in larger quantities.
4.2 Pigmentation of skin Populations across the globe carry throughout the generations distinctive genetic markers, and of the most significant and easiest to identify of those markers, is pigmentation [13]. As the early inhabitants of Earth, living in the region of today´s equatorial Africa were preforming life-essential functions, as searching of food and water through dry and hot environment, a big challenge for their body was keeping itself cool. The adaptation was favoured, increasing the number of sweat glands, but meanwhile decreasing amount of body hair. Nevertheless, new adaptation soon appeared as ˝double-edged sword˝, exposing less-hairy human-skin to strong sunlight radiation, damaging the human body especially in the regions near the equator. Therefore, an evolutionary solution to the UV radiation exposure was to evolve skin that was permanently dark, so as to protect skin against the 11
i n Ĺž e n i r j e v
s l o v e n i j e
w w w . z v e z a - z s i s . s i
ZNANOST NA DLANI sun´s damaging UV rays [13] and to ensure efficient levels of the folate in skin. And as were early tribes migrating from high UV-radiation exposure regions in Africa, to lower UV- radiation exposure regions in Eurasia, natural selection favoured lighter skin pigmentation in order to ensure sufficient amount of UV radiation penetrating the skin, producing essential vitamin D (as discussed in Ozone layer paragraph) [13].
Data regarding the number of annual melanoma skin cancer cases and mortality rate within melanoma skin cancer in observed countries was gained by the official report of Globocan 2012: Estimated Cancer Incidence, Mortality and Prevalence Worldwide, which operates under the World Health Organization and is the most accurate report regarding the incidence of all types of cancers, including majority of world´s countries (183) [16].
4.3 Malignant-melanoma skin cancer
5. Calculations and procedure
Malignant-melanoma skin cancer is the deadliest of skin cancers and generally one of the most dangerous cancers. Melanomas - cancerous growths develop in the melanocytes cells, when unrepaired DNA damages the skin cells (damage mostly caused by Ultra Violet -B radiation) triggering mutation that leads the skin cells to multiply rapidly, forming malignant tumours [14]. Those cancerous growths or melanomas, can develop anywhere on the skin, but are most likely to develop at chest or back of males, and on the legs for the females. It is most likely, that cancerous growth develops from the mole, which changes from the benignant (non-cancerous) to the malignant (cancerous) as the mole changes in shape, colour, size, itchiness or skin breakdown [14].
Average annual ozone layer thickness over the observed countries was analysed in two step procedure: firstly set of total ozone maps from Environment and Climate Change Canada were downloaded for each of the 12 months, enlarging and cropping regions of observed countries. Secondly observed countries on those maps were analysed using programme iCalc, Inc [17], which calculated the areas on the map of with same distinctive ozone layer thickness (regions with same ozone layer thickness are coloured with same shade of colour), calculating the average monthly ozone layer thickness over the each of observed countries. This procedure was repeated for whole set of months for 11 observed countries.
z v e z a
s t r o j n i h
And although the melanoma skin cancer is much less common than the basal cell and squamous cell skin cancers are (4% of skin cancers are melanoma cancer, but cause 77% deaths among all skin cancers), melanoma - malignant skin cancer is lot more dangerous, as if not discovered in the early stages of cancerous developing, it is very likely to quickly spread to other parts of body in most cases resulting in death [15].
12
Figure 1: Mean total of ozone layer thickness in Dobson Unit (scale on the right-hand side presenting each ozone layer thicknesses in specific colouring), over Mexico in October (1978-2007) [18], processed by programme iCalc, Inc [17]
SCIENTIFIC PAPER The procedure as presented was then repeated for all of the 11 observed countries, calculating following variables: 1. Total number of annual melanoma skin cancer cases and death was provided as to the Globocan source [19], 2. Number of annual melanoma skin cancer cases per 100,000 citizens was calculated scaling number of cases/deaths per whole population, subtracting the number by the ratio (population: 100,000) of the country´s population, 3. Annual percentage of mortality among the melanoma cancer cases was calculated subtracting the number of annual cases and number of annual deaths, with the information for each country as mentioned provided by Globocan.
6. Analysis z v e z a
Following table presents all the observed countries; Poland, Denmark, Portugal, Australia, New Zealand, Saudi Arabia, Mexico, Japan, Indonesia, Gabon and Botswana in the dependence to all of the researched variables.
Observed country
Denmark Portugal
Mexico Japan Indonesia Gabon Botswana
2583
7.10
52.2%
341.2±0.5
1596
28.50
14.2%
301.7±0.5
1101
9.70
19.8%
278.2±0.5
12265
53.30
13.4%
304.6±0.5
2473
55.40
15.7%
274.3±0.5
58
0.18
27.6%
277.5±0.5
2031
1.70
30.1%
309.1±0,5
1371
1.10
50.4%
254.2±0,5
1069
0.43
50.8%
269.8±0,5
12
0.77
25.0%
273.2±0,5
22
1.10
54.5%
w w w . z v e z a - z s i s . s i
New Zealand Saudi Arabia
369.2±0.5
s l o v e n i j e
Australia
Caucasoid; *Slavic Caucasoid; *Germanic Caucasoid; *Latin Caucasoid; *Celtic/Germanic Caucasoid; *Celtic/Germanic Caucasoid; *Arabic Mongoloid; *Hispanic Mongoloid; Sinodont Mongoloid; Sundadont Negroid; Congoid Negroid; Capoid
Annual percentage of mortality among the melanoma cancer cases [19]
i n ž e n i r j e v
Poland
Population´s dominant pigmentation
Number of anAnnual averTotal number of nual melanoma age ozone layer annual melanoma skin cancer cases thickness in Dob- skin cancer cases per 100,000 citison Unit [20] [19] zens [19]
s t r o j n i h
Table 1: Observed countries in dependence to all researched variables
*: population´s ethno-linguistic origin (not an official subclass), Congoid : race´s official subclass, Germanic : population´s ethno-linguistic origin, before the settlement to other geographic area
13
i n ž e n i r j e v
s l o v e n i j e
w w w . z v e z a - z s i s . s i
ZNANOST NA DLANI
s t r o j n i h
Figure 2: Graphical representation made using the Microsoft Excel 2012 programme, is presenting the main results of Table 1: Number of annual melanoma skin cancer cases per 100.000 citizens in correlation with ozone layer over the observed countries (colours of columns presenting three race groups: blue – Mongoloid, green – Negroid, red – Caucasian) [21], with the error bars on graph presenting ±5% deviation to the observed Ozone layer thickness values in DU.
z v e z a
7. Evaluation
14
Results obtained in the investigation were evaluated in two parts: Firstly regarding Table 1, where populations of worldwide races´ subclasses and ethno-linguistic groups were compared, and secondly regarding Table 2, where populations within Caucasian race´s Germanic ethnolinguistic groups were examined.
Caucasoid > Mongoloid >Negroid). Nevertheless, hypothesis is not supported regarding direct influence of Ozone layer thickness on number of annual melanoma cancer, which does not increase as supposed by the hypothesis: Indonesia > Gabon > Botswana… but is rather influenced by evolutionary characteristics as discussed in following chapter.
7.1. Comparing worldwide populations of various races´ subclasses and ethno-linguistic groups As deduced from the results of Table 1, and all observed and discussed data throughout the investigation, initially set hypothesis is only partially supported. The hypothesis is supported regarding influence of pigmentation on the annual number of melanoma skin cancer cases (number of annual melanoma cancer increases as following:
a) Effect of skin pigmentation number of annual melanoma skin cancer cases: As deduced from the results of Table 1; all of the values exceeding 2 annual cases of malignant melanoma per 100,000 citizens, are from the populations of Caucasian pigmentation, expect of the outlier Saudi Arabia, where a key role for a totallow value of IMC [22] are playing evolutionary genetic adjustments of their ancestors, their clothing and lifestyle,
SCIENTIFIC PAPER
i n ž e n i r j e v
8. References 1. 4th World race – Australoids not being examined due to undevelopment of healtcare in Papua New Guinea 2. Coon, Carleton Stevens, http://www.encyclopedia. com/people/social-sciences-and-law/anthropologybiographies , February 2017 3. Ethnic groups: Countries Compared, http://www. nationmaster.com/country-info/stats/People/Ethnicgroups , February 2017 4. *sign of ethno-linguistic group inside the race 5. Germanic sign of population living in area, which is not their historical /evolution origin 6. Sundadont sign of subclass inside the race according to Carleton S. Coon´s referencing of races 7. Health Effects of Ozone Depletion: Skin Cancer; http://www.ozone-hole.org.uk, February 2017 8. http://www.skincancer.org/media-and-press/ Press-Release-2009/melanoma-and-skin-of-color , [27th February 2017] 9. Current State of the Ozone Layer; https://www.epa. gov/ozone-layer-protection, February 2017 10. World Ozone and Ultraviolet Radiation Data Centre, http://www.woudc.org, February 2017 11. Dobson unit, National Aeronautics and Space Administration, http://ozonewatch.gsfc.nasa.gov, February 2017 12. Maps of normal ozone, http://es-ee.tor.ec.gc.ca, February 2017 13. Human Skin Color Variation, http://humanorigins. si.edu, February 2017
s l o v e n i j e w w w . z v e z a - z s i s . s i
c) Trend in annual mortality among the melanoma cancer cases: Trend in mortality is variating through the observed countries; from the lowest mortality rate in Australia (13.4%) to the highest mortality rate in Botswana (54.5%). Although there cannot be a general trend applied to the obtained data, an assumption can be made: mortality percentage is significantly higher in the countries with a lower total number of annual melanoma skin cancer cases, meaning less research, focus, awareness, healthcare facilities and personnel is devoted to the melanoma skin cancer, therefore leaving consequences behind (higher percentage of mortality).
s t r o j n i h
b) Effect of annual average ozone layer thickness in DU on number of annual melanoma skin cancer cases: The ozone layer thickness does not affect the number of annual melanoma skin cancer as predicted in the hypothesis; observed country with the thinnest ozone layer (referring to the Table 1) Indonesia (254.2 DU) has a IMC value of only 0.43, e.g. countries with thicker ozone layer having significantly larger IMC values (Australia – 278.2 DU – 53.5 IMC and New Zealand – 304.6 DU – 55.4 IMC). Even country with the thickest annual average ozone layer thickness Poland (369.2 DU) has a larger value of IMC - 7.1, than the Indonesia, which is of the observed countries, the one with thinnest average annual ozone layer thickness.
d) Table´s outreaching exceptions – New Zealand and Australia: Analysing the Table 1´s IMC values, there are two outreaching values – New Zealand´s value of 55.4 and Australia´s 53.5. Focusing on the fact than more than 9095% of current Australian and 75-80% [31] of current New Zealand´s populations are not indigenous people, than have been living there for tens of thousands of years, but are rather immigrants or descendants of the settlers, which are living in Australia or New Zealand for a maximum of few centuries, assumption that new residents (European settlers, mainly of British isles – Celtic and Germanic origin) are not evolutionary adapted to the living conditions in this geographic area (strong UV-radiation, higher temperatures, humidity) can be made. Therefore their Caucasian skin is not adapted to much stronger UV-B radiation compared to the weak radiation in European origins, leading those residents more frequently to development of skin cancer, especially dangerous melanoma skin cancer.
z v e z a
which protects skin from harmful and powerful UV-B rays year-round, expect for the maximum values of 53.5 and 55.4 IMC deduced for Australia and New Zealand. The reasons behind Caucasians having the greatest rate of IMC, significantly larger compared to both other races, were already pointed out in the Pigmentation paragraph of the research. It is the lack of melanin, which was evolutionary prospered by tribes moving north of equator, in order to ensure sufficient amount of UV radiation penetrating the skin, producing essential vitamin D. Of the Negroid and Mongoloid races, IMC is significantly lower with Mongoloid race´s maximum IMC value of 1.70 in Mexico, and Negroid maximum IMC value of 1.10 in Botswana. The reasons behind a such difference in figures comparing Caucasoid with Negroid and Mongoloid races are vice versa of reason stated discussing Caucasian´s high average of melanoma cancer: both races (Negroid especially) have as evolutionary adaption of their natural environment, an excess of nutrient melanin in their skin, creating a protecting shield to harmful UV-B rays and consequently, protecting population from deadly melanoma skin cancer.
15
ZNANOST NA DLANI
w w w . z v e z a - z s i s . s i
14. Melanoma, http://www.skincancer.org, February 2017 15. Melanoma, http://dermatology.medschool.ucsf.edu/skincancer, February 2017 16. Globocan 2012: Estimated Cancer Incidance Mortality and Prevalence Worldwide in 2012, International Agency for Research on Cancer, 2017 17. Sketchandcalc, https://www.sketchandcalc.com, February 2017 18. Mean total ozone (DU) for December, http://es-ee.tor.ec.gc.ca/ozone/climatology, February 2017 19. Estimated age standardised incidence and mortality, http://globocan.iarc.fr/Pages, (selecting the observed country), February 2017 20. Maps of normal ozone, Environment Canada, http://es-ee.tor.ec.gc.ca, February 2017 21. Data originating from Table 2 of previous chapter 8, Analysis, processed by the Microsoft Excel 2012 22. IMC – indicidence of melanoma skin cancer per 100.000 citizens 23. Aboriginal population in Australia, https://www.creativespirits.info/aboriginalculture, February 2017 24. A Snapshot of New Zealand, http://www.tourism.net.nz/new-zealand, February 2017.
(ADDITIONALLY) Comparison of the populations inside the Germanic ethno-linguistic group of Caucasian race – correlation found.
s l o v e n i j e
Table 2: Populations of Germanic ethno-linguistic group in dependency to all variables observed
i n ž e n i r j e v
Observed country
Sweden Norway
s t r o j n i h
Denmark Great Britain
z v e z a
Germany
Population´s dominant pigmentation
Caucasoid; Germanic Caucasoid; Germanic Caucasoid; Germanic Caucasoid; Germanic Caucasoid; Germanic
Number Ozone layer of annual thickness in melanoma DU skin cancer cases
Number of annual melanoma cancer cases per 100,000 citizens
Annual percentage mortality among the melanoma cancer cases
338.2±0.5
2911
31.2
19.4%
339.6±0.5
1506
30.4
21.6%
341.2±0.5
1596
28.5
14.2%
343.3±0.5
14445
23.2
15.2%
345.7±0.5
16884
20.6
15.8%
8.1 Comparing populations within Caucasian race´s Germanic ethno-linguistic groups As the initial hypothesis was only partially supported by the data gathered in Table 1, a correlation between the ozone layer thickness and number of annual melanoma cancer cases per 100,000 citizens was further researched among the one of the race´s (Caucasian) Germanic ethno-linguistic group. A Germanic tribe was Indo-European tribe, which lived in the areas of today’s Germany and Poland. Meanwhile majority staying in areas of today´ s Germany, groups of Germanic tribes started to settle in the last centuries of first millennium; from the British Isles to the Scandinavia, in areas of today´s s Denmark and Britain, later reaching Sweden and Norway. This indicates that today´s residents of Germany, Sweden, Norway, Denmark and Britain are related to the same ancestors of Germanic descent, which is clearly seen in their culture and language.
16
SCIENTIFIC PAPER
z v e z a
However, as the Germanic tribes started to settle, they were coming into new geographical regions with similar, but not the same environmental characteristics, with one of those differentiating characteristics being also the amount of UV-B radiation (ozone layer thickness value) over the new geographical area. The effect of this variating environmental characteristic - thinner ozone layer over the settled geographical areas can be seen, since the correlation between number of annual melanoma cases and the ozone layer thickness in those geographical areas was found; as ozone layer thickness in populations of Germanic descent decreases, number of annual melanoma cancer cases increases (further from originate geographical area of Germanic tribe population is located, larger environmental differentiation is present, therefore reflecting in larger number of annual melanoma cancer cases), as deduced from the Table 2, supporting the 1st part of initial hypothesis, with a great r2 regression value, meaning strong linear correlation among the observed countries: r2=0,964
s t r o j n i h i n Ĺž e n i r j e v s l o v e n i j e w w w . z v e z a - z s i s . s i
Figure 3: Graphical representation made using the Microsoft Excel 2012 programme, is presenting the main› results of Table 2: Number of annual melanoma skin cancer cases per 100.000 citizens in correlation with ozone layer over the countries of Germanic ethno-linguistic origin, with the error bars on graph presenting standard error (more suitable to the graph due to the high values – 5% error bars cover too much area of the graph) to the observed Ozone layer thickness values in DU.
17
ZNANOST NA DLANI
w w w . z v e z a - z s i s . s i
Lasersko povzročene periodične površinske strukture pri teksturiranju z nanosekundnimi laserskimi bliski Laser-induced periodic surface structures textured by nanosecond laser pulseS Peter Gregorčič a,*, Žiga Mrzlikar a, Matej Hočevar b
a b
Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, Aškerčeva 6, 1000 Ljubljana, Slovenija Inštitut za kovinske materiale in tehnologije, Lepi pot 11, 1000 Ljubljana, Slovenija
*Korespondenčni avtor: Peter Gregorčič Univerza v Ljubljani Fakulteta za strojništvo Aškerčeva 6 1000 Ljubljana Slovenija
Mechanical Engineering World – 18 Journal homepage: www.zveza-zsis.si/ Article info Article history: Received 20th June 2017 Received in revised form 12 July 2017 Accepted 19th July 2017 Available online 31 July 2017
s l o v e n i j e
Tel.: +386 1 477 1 172 E-pošta: peter.gregorcic@fs.uni-lj.si
z v e z a
s t r o j n i h
i n ž e n i r j e v
Kratki znanstveni prispevek / Short scientific paper
Povzetek
Abstract
Z lasersko povzročenimi periodičnimi površinskimi strukturami (LIPSS) je mogoče pomembno izboljšati funkcionalnost površin, zato so predmet številnih raziskav. Pri eksperimentih smo uporabili nanosekuni vlakenski laser s spremenljivo dolžino bliskov in valovno dolžino λ = 1060 nm, ki smo ga nadgradili s polarizatorjem. Pokazali smo, da je na ta način mogoče izdelati LIPSS brez uporabe dragih laserskih sistemov z ultrakratkimi bliski, kar pomembno širi možnosti za implementacijo tovrstnega laserskega mikrostrukturiranja na različna industrijska področja. S polariziranimi laserskimi bliski smo osvetljevali nerjavno jeklo in izmerili, da fluenca praga za ablacijo znaša Fth = 3,7 J/cm2. Rezultati kažejo, da LIPSS nastane, ko fluenca doseže vrednosti v območju 0,9 -1,4 Fth. Tedaj je perioda površinskih struktur v območju
Laser-induced periodic surface structures (LIPSS) can significantly improve the surface functionality; consequently, they are a subject of an intensive research. In this paper, we used a nanosecond fiber laser having variable pulse duration and a wavelength of λ = 1060 nm. We upgraded the laser system by a polarizer to demonstrate that in this way it is possible to obtain LIPSS without the use of expensive ultrashort laser systems. This new approach will significantly expand the possibilities for implementation of this kind of laser microstructuring into different industrial areas. With polarized laser pulses we irradiated stainless steel samples and measured that threshold for laser ablation equals Fth = 3.7 J / cm2. The experimental results show that LIPSS occurs when the fluence reaches the values in the range 0.9 - 1.4 Fth. In this case, the LIPSS period is in the range 0.9λ - 1.01λ. The LIPSS orientation is, in most cases, independent on the texturing direction. However, there are certain combinations of parameters where LIPSS orientation changes with the texturing direction. We have also shown that the periodic structures are more pronounced when the sample is positioned slightly out of the focal position.
0,9λ - 1,01λ. Njihova orientacija je v večini primerov neodvisna od smeri označevanja, so se pa ob določeni kombinaciji parametrov pojavile tudi izjeme, kjer so bile strukture vzporedne s smerjo označevanja. Najbolj izrazite strukture dobimo, ko vzorec nekoliko izmaknemo iz gorišča obdelovalnega snopa. Ključne besede: funkcionalizacija površin; lasersko mikrostrukturiranje; periodične površinske strukture; vlakenski laser 18
Keywoards: surface functionalization; laser microstructuring; periodic surface structures; fiber laser
SCIENTIFIC PAPER 1 Uvod
2.1 Laserski sistem Laserski sistem, ki smo ga uporabili pri eksperimentih, je prikazan na sliki 2. Sestavljajo ga: laserski vir, polarizator, skenirna glava in pozicionirni sistem (pozicionirna mizica s pozicionirnim vijakom in merilnik pomikov).
i n ž e n i r j e v s l o v e n i j e w w w . z v e z a - z s i s . s i
Ker lahko na tak način pomembno vplivamo na funkcionalnost površin in s tem spreminjamo njeno omočljivost [5] ter posnemamo druge funkcionalnosti iz narave [10], je nastanek LIPSS predmet številnih raziskav, v katerih se večinoma uporabljajo ultrakratki (fs in ps) laserski sistemi. Težava teh
2 Eksperimentalni sistem in metode
s t r o j n i h
LIPSS nastane, ko površino obsevamo s polariziranim laserskim snopom nizkih fluenc, blizu praga za ablacijo [slika 1(a)]. Tedaj na površini obdelovanca nastane periodična valovita struktura [slika 1(b)], katere perioda je običajno sorazmerna valovni dolžini izsevane svetlobe, njena orientacija pa je odvisna od polarizacije svetlobe. Do pojava pride na različnih materialih od kovin do polprevodnikov in dielektrikov. Parametri, ki vplivajo na nastanek LIPPS, pa so: valovna dolžina svetlobe, gostota energije, optične lastnosti materiala, frekvenca laserskih bliskov, polarizacija laserske svetlobe in kot, pod katerim svetloba vpade na površino [3, 8, 9].
sistemov je v tem, da so dragi, procesiranje z njimi pa počasno, zato so manj primerni za širšo industrijsko uporabo. Posledično je glavni namen tega prispevka pokazati, da je površino mogoče na podoben način obdelati tudi z nanosekundnim vlakenskim laserskim sistemom, ki ga nadgradimo s polarizatorjem svetlobe. Tak pristop namreč omogoča pomemben preboj na področju industrializacije funkcionaliziranih površin, saj predstavlja robustno in cenovno dostopno tehniko mikro in nanostrukturiranja površin [11, 12].
z v e z a
Lasersko povzročene periodične površinske strukture (LIPSS) so v zadnjem pol desetletju predmet številnih raziskav [1-6]. Prvi jih je leta 1965 odkril Birnbaum [7], ki je uporabil rubinov laser in z njegovimi bliski osvetljeval površino germanija. Pri fluencah blizu praga za ablacijo (poročal je o fluenci, ki je nižja od tiste, ki na površini povzroči razpoke) je opazil nastanek periodičnih struktur s periodo blizu valovne dolžine laserske svetlobe. Poročal je, da se orientacija teh struktur v primeru, ko kristal zavrtimo, ne spremeni. Zato je sklepal, da njihova orientacija ni odvisna od orientacije kristala. Sedaj vemo, da je orientacija LIPSS povezana s polarizacijo svetlobe [3, 4, 8].
Slika 2: Prikaz vlakenskega laserskega sistema z glavnimi komponentami.
Slika 1: (a) Koncept nastanka LIPSS; (b) primer LIPSS strukture, puščica prikazuje smer nihanja električnega polja pikosekundnega laserskega bliska.
Kot laserski vir smo uporabili SPI G4-Z 20W bliskovni vlakenski laser proizvajalca SPI Lasers Ltd. (Velika Britanija) z valovno dolžino 1060 nm. Laserski snop, ki se generira v optičnem vlaknu, potuje v skenirno glavo (SS IIE-15, proizvajalca Raylase, Nemčija), kjer ga dve zrcali vodita po površini obdelovanca preko F-theta leče z goriščno razdaljo 163 mm. F- theta leča skrbi, da je gorišče 19
ZNANOST NA DLANI snopa ne glede na kot in mesto obdelave vedno na površini obdelovanca.
w w w . z v e z a - z s i s . s i
Laserski vir omogoča izbiro dolžine in oblike bliskov, ki so označeni z oznakami #0-#28. V naši raziskavi smo vse vzorce obdelali z obliko bliskov #2. Proizvajalec navaja, da znaša dolžina bliskov v načinu #2 pri 10 % vršne moči 50 ns. Laserski sistem smo nadgradili z linearnim polarizatorjem, saj iz izhodnega vlakna dobimo nepolarizirano svetlobo. Za nastanek LIPSS pa potrebujemo polarizirano svetlobo.
V drugem delu eksperimentov smo na vzorcih preverili vpliv različnih procesnih parametrov na nastanek LIPSS. Pri tem smo sistematično spreminjali povprečno moč bliskov in posledično (ob konstantnem premeru snopa na površini) tudi fluenco. V nekaterih primerih pa smo na fluenco vplivali tudi tako, da smo vzorec premikali izven gorišča in s tem spreminjali velikost snopa na površini vzorca. V ta namen smo posamezni vzorec dimenzij 20 × 20 mm2 razdelili v 12 nizov, kot je to prikazano na sliki 3. Posamezen niz je bil sestavljen iz 3 kvadratkov, dimenzij 2 × 2 mm2, ki smo jih označili z A, B in C [slika
i n ž e n i r j e v
s l o v e n i j e
Laserski sistem krmilimo s pomočjo osebnega računalnika. Pri tem smo uporabili grafični vmesnik SAMLight proizvajalca SCAPS. Omogočil nam je izbiro različnih laserskih parametrov, kot so: povprečna moč laserja P, hitrost vodenja snopa po obdelovancu
Iz enačbe (1) sledi, da je bil v našem primeru ta razmik enak Δy = 3 μm. Črte pa smo medsebojno razmaknili za Δx = 3 mm.
Slika 3: (a) Prikaz razporeditve kvadratkov na posameznem vzorcu; kvadratke znotraj niza smo označili z A, B in C; vsakega od njih pa lasersko teksturirali s črtami pod različnim kotom (desno zgoraj).(b) Shematski prikaz razporeditve nizov na posameznem vzorcu.
s t r o j n i h
v, frekvenca bliskov f, oblika bliskov, razmik med sosednjimi linijami Δx, s katerimi polnimo različne like ter kot α, pod katerimi vodimo te linije.
2.2 Potek eksperimentov
z v e z a
Najprej smo izmerili fluenco praga za ablacijo Fth – to je tista mejna vrednost fluence, pod katero po obdelavi na vzorcu ni več prisotnih poškodb, saj je gostota vnesene energije prenizka, da bi prišlo do odvzema ali pretalitve materiala. Fluenco praga za ablacijo smo določili tako, da smo vzorec postavili v gorišče snopa in nanj označili črte z različnimi povprečnimi močmi, v razponu od 2-7,1 W. Pri tem smo za posamezno črto uporabili obliko bliskov #2 pri frekvenci f = 90 kHz. Po črti smo snop vodili s hitrostjo v = 270 mm/s. Razmik med posameznima pikama Δy lahko izračunamo po enačbi: (1) 20
3(a)]. Pri tem smo na kvadratkih A vlekli navpične črte, na kvadratkih B so bile črte nagnjene pod α = 45°, na kvadratkih C pa smo vlekli vodoravne črte. Razdalja med črtami je pri vseh kvadratkih znašala Δx = 10 μm. Pri posameznem nizu, ki smo ga označili s številko 1-12 [slika 3(b)], smo spreminjali povprečno moč. Parametri, ki so bili pri vseh vzorcih enaki, so sledeči: (i) oblika bliskov: #2; (ii) frekvenca bliskov: f = 90 kHz; (iii) hitrost vodenja snopa: 270 mm/s; in (iv) razmik med posameznimi črtami: Δx = 10 μm. Pri tem smo prvi vzorec postavili v gorišče in spreminjali povprečno moč bliskov, drugega pa pri konstantni moči P = 3.3 W sistematično izmikali iz gorišča. 2.3 Vrednotenje rezultatov Po obsevanju vzorcev z laserskimi bliski smo teksturirane površine preliminarno analizirali z optičnim mikroskopom. Na izbranih vzorcih smo za natančnejšo analizo uporabili tudi elektronski vrstični mikroskop (SEM) JSM – 6500F, proizvajalca JEOL.
SCIENTIFIC PAPER 3 Rezultati in diskusija 3.1 Fluenca praga
z v e z a
Fluenco praga smo določili tako, da smo na SEM posnetkih izmerili širine kanalov, ki smo jih pri različnih fluencah dobili pri navpičnem procesiranju [slika 4(a)], poševnem procesiranju [slika 4(b)] in vodoravnem procesiranju [slika 4(c)]. Na izmerjene premere v odvisnosti od fluence smo po metodi najmanjših kvadratov prilagodili sledečo enačbo [4]: (2)
s t r o j n i h
Slika 5: Izmerjeni premeri kanalov v odvisnosti od fluence. Krivulje predstavljajo prilagoditveno funkcijo, ki jo podaja enačba (2).
i n ž e n i r j e v
kjer je r polmer kanala, w0 polmer snopa v gorišču, F0 fluenca bliska v sredini snopa v gorišču in Fth fluenca praga za ablacijo. Rezultati so prikazani na sliki 5, prosti parametri, ki jih dobimo s prilagajanjem enačbe (2), pa so predstavljeni v preglednici 1.
s l o v e n i j e w w w . z v e z a - z s i s . s i
Slika 4: SEM slike kanalov pri (a) navpičnem procesiranju s fluencami: 8,0 J/cm2; 7,1 J/cm2; 6,1 J/cm2; 5,2 J/cm2; 4,8 J/cm2; (b) vodoravnem procesiranju s fluencami: 8,0 J/cm2; 7,1 J/cm2; 6,1 J/cm2; 5,2 J/cm2; 4,3 J/cm2; in (c) poševnem procesiranju s fluencami: 8,0 J/cm2; 6,6 J/cm2; 5,2 J/cm2. Preglednica 1: Prosti parametri, ki jih dobimo s prilagajanjem enačbe (2) na meritve.
Prosti parameter
Navpično procesiranje
Poševno procesiranje
Vodoravno procesiranje
Fluenca praga Fth [J/cm2]
3,8
3,6
3,6
Premer snopa v pasu 2w0 [μm]
20
80
65 21
ZNANOST NA DLANI Rezultati v preglednici 1 vodijo do zanimivega zaključka. Vidimo, da je fluenca praga praktično neodvisna od smeri procesiranja in znaša približno Fth = 3,7 J/cm2. To je logično, saj vedno procesiramo isti material z isto valovno dolžino in z istim trajanjem laserskih bliskov. Po drugi strani pa dobimo za različne smeri procesiranja različne vrednosti polmera snopa v pasu w0. Prav tako iz SEM posnetkov na sliki 3 opazimo, da je topografija kanalov za vsako posamezno smer drugačna. Zaradi teh opažanj smo posumili, da laserski snop ni povsem okrogel. w w w . z v e z a - z s i s . s i
Zato smo z 20 zaporednimi bliski obsevali isto točko in rezultat preverili pod optičnim mikroskopom; prikazan je na sliki 6. Opazimo, da blisk res ni okrogel, ampak podolgovat, oziroma skoraj pravokoten. Dimenzija v vodoravni smeri znaša ~13 μm, v navpični pa 49 μm. Natančnega razloga za to ne poznamo, sklepamo pa, da je težava v katerem izmed optičnih elementov. Ta oblika smiselno pojasni različne polmere snopa v pasu. Dodatno nam to potrdi tudi primerjava razmerja širine in višine poškodbe z razmerjem vrednosti širine pasov za navpično in vodoravno procesiranje. Razmerje med širino in višino poškodbe namreč znaša 13 : 49 = 0,27, kar je zelo podobno razmerju med premerom snopa v navpični in vodoravni smeri, ki znaša 20,4 : 80,4 = 0,25.
Slika 6: Poškodba pri vrtanju v eno točko nakazuje na nesimetrično obliko snopa v gorišču.
s t r o j n i h
i n ž e n i r j e v
s l o v e n i j e
3.2 Nastanek LIPSS
Slika 7: SEM posnetki 1. niza na vzorcu, procesiranem v gorišču. (a) Vodoravno teksturiranje, (b) poševno teksturiranje in (c) navpično teksturiranje. Fluenca F0 = 8.0 J/cm2.
z v e z a
Vzorce smo procesirali tako, da smo v prvem nizu uporabili fluenco F0 = 8.0 J/cm2 in jo v vsakem naslednjem nizu nekoliko znižali. V prvem nizu LIPSS-a ne zaznamo, saj je fluenca tu previsoka in so se zaradi intenzivne ablacije ustvarjale globoke brazde na površini, kot je to opazno na sliki 7. Vidimo, da na sliki 7(a) ni izrazite mikrostrukture, medtem, ko je struktura na sliki 7(c) bistveno bolj izrazita. To je posledica podolgovate oblike snopa; posledično je v navpični smeri prekrivanje zaporednih bliskov večje kot v vodoravni smeri. Ko smo fluenco zniževali, smo LIPSS prvič opazili v 8. nizu pri poševnem procesiranju. Tedaj je fluenca znašala F0 = 5,2 J/cm2, razmerje F0/Fth pa 1.4. Pri tej 22
fluenci se je LIPSS na vzorcu pojavljal prekinjeno in je bil vodoravno usmerjen. V gorišču smo najbolj izrazit LIPSS zaznali v 10. nizu, in sicer tako pri vodoravnem kot pri poševnem procesiranju (slika 8). Fluenca F0 = 3,75 J/cm2 ustreza razmerju F0/Fth = 1,02, kar je zgolj malenkost nad pragom za ablacijo. Valovite črte, ki spominjajo na puščavske sipine, so bile na vzorcu izražene po celotni obdelani površini, medtem ko pri poševni izdelavi strukture pokrivajo zgolj 90 % površine. Čeprav smo LIPSS pod optičnim mikroskopom lepo opazili, ga na SEM-u ni bilo mogoče dobro posneti (slika 8). Morda globina samih struktur ni dovolj velika, ampak so strukture predvsem v obliki različnih oksidov, ki tvorijo
SCIENTIFIC PAPER
Smer LIPSS je bila vodoravna in neodvisna od smeri označevanja na celotnem vzorcu, ki smo ga procesirali v gorišču. Ko pa smo vzorec izmikali iz gorišča, se
s l o v e n i j e
Iz teh ugotovitev lahko zaključimo, da pri strukturiranju z nanosekundnimi bliski na nerjavnem jeklu LIPSS nastane pri fluencah, ki ustrezajo razmerju 0,9 < F0/Fth < 1,4. Najbolj izrazite strukture smo opazili prav v okolici praga za ablacijo, torej pri razmerju F0/ Fth = 1, kar je skladno z ugotovitvami iz literature [4],
Preverili smo tudi, kako je s pojavom LIPSS, če vzorec procesiramo izven gorišča. V ta namen smo vzorec postavili na različne oddaljenosti od gorišča in najbolj izrazito LIPSS strukturo dobili pri izmiku iz gorišča za 200 μm stran od laserskega izvora. Rezultati so prikazani na sliki 9. Strukture so usmerjene v vodoravni smeri in pri vodoravnem ter poševnem teksturiranju [slika 9(a) in 9(b)] pokrivajo celotno površino. Pri navpičnem teksturiranju [slika 9(c)] pa se pojavijo zgolj v kanalih; med posameznimi kanali pa so strukture pretrgane.
i n ž e n i r j e v
Odstotek površine, na kateri smo opazili LIPSS, se je manjšal z nižanjem fluence. Zadnji niz, kjer smo LIPSS še opazili, je bil 11. niz s fluenco F0 = 3,2 J/cm2 (razmerje F0/Fth = 0,9). V 12. nizu pri razmerju F0/Fth = 0,73 LIPSS struktur nismo več opazili.
nastanek mikrokanalov.
s t r o j n i h
različne barve, ki jih je mogoče zaznati z optičnim mikroskopom. Verjetno bi morali te strukture pri večjih povečavah preveriti z drugimi tehnikami, ki nam niso bile na voljo.
z v e z a
Slika 8: SEM posnetki 10. niza na vzorcu, procesiranem v gorišču. (a) Vodoravno teksturiranje, (b) poševno teksturiranje in (c) navpično teksturiranje. Fluenca F0 = 3.75 J/cm2.
ki pravi, da LIPSS nastane pri fluencah blizu praga za ablacijo. Če je fluenca še manjša, je ablacija prešibka, da bi to vodilo v nastanek LIPSS, če pa je fluenca previsoka, je ablacija tako intenzivna, da to vodi v
w w w . z v e z a - z s i s . s i
Slika 9: SEM posnetki vzorca, ki je bil procesiran pri z = + 200 μm. (a) Vodoravno teksturiranje, (b) poševno teksturiranje in (c) navpično teksturiranje (C). Zgornja vrstica je narejena pri 1.000-kratni, spodnja pa pri 5.000-kratni povečavi.
je pri nekaterih pozicijah orientacija LIPSS obrnila. Pojav smo najbolj izrazito opazili pri vzorcu, ki smo ga procesirali pri z = - 600 μm (torej 600 μm izven gorišča, proti leči). SEM posnetki tega vzorca so prikazani na 23
ZNANOST NA DLANI
s l o v e n i j e
w w w . z v e z a - z s i s . s i
Slika 10: SEM posnetki vzorca, ki je bil procesiran pri z = - 600 μm. (a) Vodoravno teksturiranje, (b) poševno teksturiranje in (c) navpično teksturiranje (C). Zgornja vrstica je narejena pri 1.000-kratni, spodnja pa pri 5.000-kratni povečavi.
sliki 10. Vidimo, da je v tem primeru LIPSS orientiran v smeri teksturiranja (vodoravno pri vodoravnem teksturiranju, poševno pri poševnem ter navpično pri navpičnem).
i n ž e n i r j e v
Iz zajetih SEM posnetkov smo ocenili tudi periodo nastalih struktur ΛLIPSS. Pri različnih parametrih teksturiranja se ta perioda nekoliko spreminja; na primeru naših vzorcev znaša ΛLIPSS = 0,96-1,07 μm, kar je v razponu 0,9λ-1,01λ. 3.3 Pojav barv
s t r o j n i h
Na procesiranih vzorcih se pojavijo barve, kot je to vidno na sliki 11, ki prikazuje vzorec, procesiran v gorišču z različnimi močmi. Na sliki 11 je isti vzorec posnet pod različnimi koti.
z v e z a
Nastanek barv je lahko posledica dveh mehanizmov. Prvi je interferenca na tankih plasteh oksida, ki nastane predvsem pri laserskem gretju [13], drugi pa interferenca na LIPSS strukturah [14]. V primeru
LIPSS je barva veliko bolj odvisna od kota gledanja oz. osvetlitve kot v primeru tankih oksidnih plasti. Tako lahko hitro opazimo, na katerem vzorcu (kvadratku) je LIPSS prisoten in na katerem ni. V primeru LIPSS se namreč barva močno spreminja s kotom fotografiranja. Na sliki 11 močno odvisnost barv od kota opazovanja vidimo na kvadratkih znotraj nizov 8 (označen z belo polno črto) do 11 (označen s prekinjeno belo črto); številčenje nizov shematsko prikazuje slika 3(b). To so pa ravno tisti nizi, na katerih smo s SEM analizo in pod optičnim mikroskopom zaznali LIPSS.
4 Zaključki Nanosekundni vlakenski laser smo nadgradili z uporabo polarizatorja in z njim uspešno izdelali lasersko povzročene periodične površinske strukture (LIPSS) s periodo 0,9λ -1,01λ. S tem smo dokazali, da
Slika 11: Posnetki vzorca, ki smo ga z različnimi močmi procesirali v gorišču. Na fotografijah je prikazan isti vzorec, fotografiran pod različnimi koti. Na kvadratkih, kjer je nastal LIPSS, se barva močno spreminja s kotom opazovanja (nizi 8 - 11, glej sliko 3). 24
SCIENTIFIC PAPER tak inovativni pristop omogoča funkcionalizacijo površin na podoben način, kot se to običajno počne z desetkrat dražjimi laserskimi sistemi z ultrakratkimi bliski. Predstavljeni rezultati vodijo do sledečih pomembnih ugotovitev:
• pozicioniranje vzorca izven gorišča povzroči izrazitejše periodične strukture na površini;
Delo je nastalo v okviru Programov št. P2-0392 in P2-0132, ki ju financira Javna agencija za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije iz državnega proračuna. Avtorji se zahvaljujejo podjetju SPI Lasers Ltd. iz Velike Britanije, ki je posodilo vlakenski laser, in podjetju Raylase iz Nemčije, ki je posodilo skenirno glavo.
Literatura [1] A.Y. Vorobyev, C.L. Guo, Direct femtosecond laser surface nano/microstructuring and its applications, Laser & Photonics Reviews, 7(3) (2013) 385-407. [2] J. Reif, C. Martens, S. Uhlig, M. Ratzke, O. Varlamova, S. Valette, S. Benayoun, On large area LIPSS coverage by multiple pulses,
[7] M. Birnbaum, Semiconductor Surface Damage Produced by Ruby Lasers, Journal of Applied Physics, 36(11) (1965) 3688. [8] J. Bonse, J. Kruger, S. Hohm, A. Rosenfeld, Femtosecond laser-induced periodic surface structures, Journal of Laser Applications, 24(4) (2012) 042006. [9] A.Y. Vorobyev, C.L. Guo, Spectral and polarization responses of femtosecond laser-induced periodic surface structures on metals, Journal of Applied Physics, 103(4) (2008). [10] F.A. Muller, C. Kunz, S. Graf, Bio-Inspired Functional Surfaces Based on Laser-Induced Periodic Surface Structures, Materials, 9(6) (2016).
w w w . z v e z a - z s i s . s i
Zahvala
[6] Ž. Mrzlikar, Periodične površinske strukture povzročene z nanosekundnim vlakenskim laserjem, Univerza v Ljubljani, Ljubljana, 2017.
s l o v e n i j e
Doseženi rezultati predstavljajo pomembno osnovo za nadaljnje raziskave na področju funkcionalizacije površin z LIPSS z uporabo vlakenskih laserskih sistemov, ki so cenovno dovolj dostopni za široko industrijsko uporabo. To bo omogočilo večjo možnost prodora laserskega strukturiranja na različna industrijska področja in s tem pomembno hitrejši razvoj novih materialov in tehnologij, ki nam bodo pomembno olajšale oz. spremenile življenje.
[5] A.M. Kietzig, S.G. Hatzikiriakos, P. Englezos, Patterned Superhydrophobic Metallic Surfaces, Langmuir, 25(8) (2009) 4821-4827.
i n ž e n i r j e v
• v večini primerov smer teksturiranja ne vpliva na orientacijo nastalih periodičnih površinskih struktur, pri nekaterih pozicijah vzorca izven gorišča obdelovalnega snopa pa se LIPSS obrne v smer, ki je vzporedna z obdelavo;
[4] P. Gregorčič, M. Sedlaček, B. Podgornik, J. Reif, Formation of laser-induced periodic surface structures (LIPSS) on tool steel by multiple picosecond laser pulses of different polarizations, Applied Surface Science, 387 (2016) 698-706.
s t r o j n i h
• LIPSS se pojavi, ko je fluenca F0 v območju med 0,9Fth in 1,4Fth – pri nižjih fluencah sprememb na površini praktično ni mogoče opaziti, pri višjih pa je ablacija tako intenzivna, da pride do tvorbe mikrokanalov;
[3] J. Bonse, S. Hohm, S.V. Kirner, A. Rosenfeld, J. Kruger, Laser-Induced Periodic Surface Structures-A Scientific Evergreen, Ieee Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 23(3) (2017).
z v e z a
• ablacija na nerjavnem jeklu se pojavi, ko fluenca v središču snopa v pasu preseže Fth = 3,7 J/ cm2;
Applied Surface Science, 336 (2015) 249-254.
[11] V.D. Ta, A. Dunn, T.J. Wasley, J. Li, R.W. Kay, J. Stringer, P.J. Smith, E. Esenturk, C. Connaughton, J.D. Shephard, Laser textured superhydrophobic surfaces and their applications for homogeneous spot deposition, Applied Surface Science, 365 (2016) 153159. [12] M. Zupančič, M. Može, P. Gregorčič, I. Golobič, Nanosecond laser texturing of uniformly and nonuniformly wettable micro structured metal surfaces for enhanced boiling heat transfer, Applied Surface Science, 399 (2017) 480-490. [13] Z.L. Li, H.Y. Zheng, K.M. Teh, Y.C. Liu, G.C. Lim, H.L. Seng, N.L. Yakovlev, Analysis of oxide formation induced by UV laser coloration of stainless steel, Applied Surface Science, 256(5) (2009) 1582-1588. [14] B. Dusser, Z. Sagan, H. Soder, N. Faure, J.P. Colombier, M. Jourlin, E. Audouard, Controlled nanostructrures formation by ultra fast laser pulses for color marking, Optics Express, 18(3) (2010) 2913-2924. 25
ZNANOST NA DLANI Spremljanje aktivnosti učencev z infrardečo kamero Monitoring the actiivties of students with an infrared camera w w w . z v e z a - z s i s . s i
Tim Golobič a, Tomaž Jurca a, Matevž Zupančič b,*
b
a Osnovna šola Bežigrad, Črtomirova ulica 12, 1000 Ljubljana, Slovenija Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, Aškerčeva 6, 1000 Ljubljana, Slovenija
*Korespondenčni avtor: Matevž Zupančič Univerza v Ljubljani Fakulteta za strojništvo Aškerčeva 6 1000 Ljubljana Slovenija
Mechanical Engineering World – 26 Journal homepage: www.zveza-zsis.si/ Article info Article history: Received 8th June 2017 Received in revised form 12th July 2017 Accepted 19th July 2017 Available online 31 July 2017
s l o v e n i j e
Tel.: +386 1 4771 309 E-pošta: matevz.zupancic@fs.uni-lj.si
z v e z a
s t r o j n i h
i n ž e n i r j e v
Kratki znanstveni prispevek / Short scientific paper
Povzetek
Abstract
Infrardeča kamera omogoča brezdotično merjenje površinske temperature objektov. Da bi preverili ali lahko z merjenjem temperature kože z infrardečo kamero ocenjujemo aktivnosti učencev, smo merili temperaturo kože učencev pri ustnem in pisnem preverjanju znanja, pri športni vzgoji ter pri suhem in vodnem treningu plavanja. Ugotavljali smo, kako se učenci odzivajo na različne obremenitve. S pomočjo merjenja temperature kože učencev pri različnih temperaturah okoliškega zraka je bilo ugotovljeno, da je temperatura kože odvisna od aktivnosti učenca in od temperature okoliškega zraka. Zato lahko aktivnost učencev ocenjujemo na osnovi temperaturne razlike kože med aktivnostjo in pred ali po njej. Iz opravljenih meritev med telovadbo je bilo razvidno, da na temperaturo kože vpliva tudi potenje. V stresu, ki nastopi pri preverjanju znanja, temperatura kože obraza učencem naraste za od 1 oC do 2 oC. Meritve plavalcev so pokazale, da nekateri bolj obremenjujejo mišice nog in trebuha, drugi pa mišice zgornjega dela trupa. Infrardeča kamera je primerno in za učence zanimivo orodje za merjenje njihove aktivnosti in za izboljšanje individualnega treninga plavalca. Za kakovostnejšo analizo aktivnosti učencev predlagamo merjenje večjega števila fizioloških parametrov.
Infrared camera allows non-contact measurement of surface temperatures. In order to verify whether the measurement of skin temperature with an infrared camera can assess the activities of students, we have measured the temperature of the skin of students during the oral and written examinations, physical education classes as well as in dry and water training of swimming. We have researched how students respond to different type of burdens. By measuring skin of students at different surrounding air temperatures, it was found that the skin temperature depends on the activity of the student and on the temperature of the surrounding air. The activity should be estimated on the basis of the temperature difference of the skin measured in the middle of the activity and before or after the activity. Measurements performed during physical exercises revealed that the temperature of the skin is also affected by sweating. Because of the stress that occurs during the examination, the facial skin temperature of students has increased by 1 °C to 2 °C. By measuring the surface temperature of swimmers, it was noticed that some swimmers put more strain on the muscles of the legs and abdomen, while the others put more strain on the muscles of the upper torso. An infrared camera is useful and interesting tool for students to measure their activities and to improve individual training of swimmers. For better quality analysis of activities we would suggest measuring a larger number of physiological parameters.
Ključne besede: infrardeča kamera; temperatura kože; telesna akvitnost; stres
Keywoards: infrared camera; skin temperature; body activity; stress 26
SCIENTIFIC PAPER 1 Uvod
pri čemer je j gostota sevalnega toka z enoto W/m2, T je absolutna temperatura in σ je Štefan-Boltzmanova konstanta (5,67•10-8 W/m2K4). Realna telesa niso idealna sevala, vendar jih po navadi poenostavimo v tako imenovana siva telesa, za katera velja: pri čemer (2)
Z namenom demonstracije delovanja IR kamere smo posneli celoten razred, stol v učilnici in šolski učbenik, kot je prikazano na sliki 1. Toplejši objekti so prikazani z rumeno barvo, hladnejši pa z rdečo, modro in črno barvno skalo. Vsak učenec je toplejši od svoje okolice, zato se ga na IR sliki zlahka prepozna kot toplotni izvor. Zanimivo je dejstvo, da se IR svetloba od vsakega učenca dobro odbija od šolskih klopi, zato se zdi, da so šolske klopi za katerimi sedijo učenci toplejše, kar pa ni nujno res. Infrardeče valovanje se namreč od določenih objektov z dovolj visoko reflektivnostjo odbija ravno tako kot vidna svetloba. Prav tako IR svetloba preko določenih materialov zlahka prehaja (npr. silicij), preko določenih pa ne (npr. natrijevo steklo iz katerih so narejene steklenice in okna).
w w w . z v e z a - z s i s . s i
(1)
3 Rezultati
s l o v e n i j e
Izsevanje s površine telesa je sestavljeno iz refleksije in emisije, pri čemer je refleksija odbiti del vpadle sevalne energije na površino, emisija pa je lastno sevanje telesa, ki ima temperaturo večjo od 0 K. Slovenski znanstvenik Jožef Stefan je ugotovil, da je gostota sevalnega toka iz površine idealnega črnega telesa sorazmerna temperaturi površine na četrto potenco [10]:
i n ž e n i r j e v
2 Infrardeča termografija
V nalogi smo uporabljali kameri Flir One ter Flir C2. Flir One je kamera, ki se jo priključi na pametni telefon in omogoča zajemanje termografskih posnetkov z ločljivostjo 160×120 slikovnih točk, deluje v spektralnem območju 8–14 μm in omogoča merjenje objektov s temperaturami od -20 °C do 400 °C. Flir C2 je samostojna kamera z ločljivostjo IR senzorja 80×60 slikovnih točk, deluje v spektralnem območju 7,5–14 μm in omogoča merjenje objektov s temperaturami -10 °C do 150 °C. Obe kameri imata integriran fotoaparat in omogočata samodejno zaznavanje ostrih intenzitetnih prehodov ter prekrivanje video in IR slike (ang. “overlay”), s čimer se bistveno izboljša prepoznavanje objektov iz nizko-ločljivostnih IR slik.
s t r o j n i h
Pri aktivnosti se organizem glede na stanje okolice odzove z iskanjem prejšnjega ravnotežja s fiziološkimi spremembami. Del teh fizioloških sprememb se odraža tudi na temperaturi kože. Ugotoviti želimo ali lahko z infrardečo kamero spremljamo aktivnost učencev in kako se temperatura kože učenca spreminja pri različni umski in fizični aktivnosti. V tem članku predstavljamo rezultate meritev aktivnosti učencev z infrardečo pri ustnem in pisnem preverjanju znanja, pri športni vzgoji ter pri suhem in vodnem treningu plavanja. S pomočjo statističnih metod bomo raziskali kako se psihofiziološki pojavi odražajo na temperaturi kože.
je ε emisivnost površine, ki je brezdimenzijski faktor z vrednostjo med 0 in 1. Emisivnost je odvisna od vrste gradiva in mikrostrukture površine. Za človeško kožo znaša 0,97 ± 0,02 [5]. Na podlagi enačbe (2) lahko vidimo, da je možno z merjenjem gostote sevalnega toka in ob poznani emisivnosti določiti temperaturo objekta. Na tem principu delujejo IR kamere. z v e z a
Infrardeča (IR) termografija je brezdotikalna metoda za merjenje površinske temperature objektov na podlagi toplotnega sevanja oz. izsevanega elektromagnetnega valovanja v spektru valovnih dolžin IR žarkov. S pomočjo IR kamere v osnovi merimo sevalni toplotni tok preko katerega lahko z uporabo Planckovega in Stefan-Boltzmanovega zakona izračunamo površinsko temperaturo opazovanega objekta. Infrardeče kamere se uporabljajo v znanosti [1, 2], vojski [3], medicini [4, 5], športu [6, 7] in drugod. S pojavom cenejših infrardečih kamer na trgu se je njihova dostopnost in uporabnost močno povečala. Tako imamo dandanes njeno aplikacijo že na pametnem mobilnem telefonu (npr. Flir One). Nedavno so se pojavile tudi študije, ki navajajo mnoge prednosti uporabe infrardeče termografije v osnovnošolskih in srednješolskih izobraževalnih programih [8, 9].
Na sliki 2(b) je prikazan šolski stol, pri čemer lahko iz termografske slike razberemo, da je na tem stolu sedel učenec in za seboj pustil toplotni odtis, česar s klasičnim fotoaparatom ni možno ugotoviti. Podobno velja tudi za učbenik na sliki 2(c). 3.1 Aktivnost učencev pri pouku Med meritvijo v četrtek, 23. 2. 2017 je bila v Ljubljani po podatkih ARSO temperatura zraka 10 oC. Ta dan je bila najnižja temperatura zraka 7 oC. Na sliki 2(a) vidimo, da je temperatura obraza učencev, ki so bili zunaj na hladnemu zraku, precej 27
w w w . z v e z a - z s i s . s i
ZNANOST NA DLANI
Slika 1: Termografska slika razreda, b) video in termografska slika stola takoj po uporabi in c) termografska slika učbenika med uporabo
i n ž e n i r j e v
s l o v e n i j e
nižja kot pa v razredu [slika 1(a)], kjer je temperatura zraka višja. Zanimalo nas je, kako vpliva hladen zrak na temperaturo obraza. Iz razreda smo šli ven za 3 minute ter se nato vrnili v razred. Temperatura zraka zunaj je bila 10 oC, v razredu pa 21 oC. Primera termografske slike obraza pred odhodom in po 3 minutni vrnitvi v razred sta vidna na sliki 2(b). Ker je zunanji zrak hladnejši od zraka v razredu, se zaradi dihanja najbolj ohladi nosna in ustna votlina. V preglednici 1 so podane temperature obraza in nosu šestih učencev pred odhodom in po vrnitvi v razred. Povprečna temperatura nosu po 3 minutnem bivanju na temperaturi zraka 10 oC se je znižala za 4,8 oC. Pri tem se je največ znižala za 7 oC in najmanj za 3,4 oC. Pri ustnem in pisnem preverjanju znanja nastopi stres. Ljudje zelo različno reagiramo na podobne situacije.
Slika 2: a) Termografske slike učencev, ki so zunaj pri temperaturi zraka 10 °C in b) primerjava temperature obraza učenca na zraku pri 10 °C in po 3 minutni vrnitvi v razred s temperaturo 21 °C
s t r o j n i h
Preglednica 1: Temperatura obraza in nosu učencev v razredu s temperaturo zraka 21 oC in po vrnitvi po 3 minutnem bivanju na zraku temperature 10 oC
Učenec
z v e z a
U1 U2 U3 U4 U5 U6 Povprečna vrednost Največja vrednot Najnižja vrednost 28
Pred odhodom
Po 3 min vrnitvi
Razlike temperatur
Tobraz (°C)
Tnos (°C)
Tobraz (°C)
Tnos (°C)
ΔTobraz (°C)
ΔTnos (°C)
34,7 34,8 35,0 36,0 34,6 35,5
31,2 33,6 33,8 33,5 31,2 30,0
35,5 35,0 34,8 35,0 34,5 35,2
26,8 26,6 28,7 28,4 27,8 26,2
-0,8 -0,2 0,2 1,0 0,1 0,3
4,4 7,0 5,1 5,1 3,4 3,8
35,1
32,2
35,0
27,4
0,1
4,8
36,0
33,8
35,5
28,7
1,0
7,0
34,6
30,0
34,5
26,2
-0,8
3,4
SCIENTIFIC PAPER
z v e z a s t r o j n i h
Slika 3: Razlika temperature obraza med in po pisanju nenapovedanega testa
i n ž e n i r j e v
Pričakujemo, da temperatura telesa zaradi stresa pred spraševanjem naraste. Po končanem stresu, ko se zaključi spraševanje ali pisno preverjanje znanja, pričakujemo, da se v primeru ne prevelikega razburjenja temperatura telesa povrne na začetno stanje. Na vzorcu 12 učencev, ki so na sliki 3 označeni z U1–U12, smo izvedli raziskavo vpliva stresa med ustnim in pisnim preverjanjem znanja. Z UP je označena temperaturna razlika med in pred ustnim spraševanjem, PP1 predstavlja razliko temperatur med in po pisnem testu ter PP2 razliko med in po pisnem testu. Ker imajo učenci različne temperature in je lahko temperatura zraka v različnih dnevih različna, smo upoštevali le temperaturne razlike na merjene na isti točki obraza. Rezultati kažejo, da je bila izmerjena temperatura pri vseh učencih višja med ustnim spraševanjem ali pisnim testom v primerjavi s temperaturo pred ali po preverjanju znanja. Največja izmerjena temperaturna razlika pri pisnem in ustnem preverjanju znanja je bila 2,7 oC, najmanjša 0,3 oC in povprečna temperaturna razlika vseh meritev 1,3 oC. 3.2 Aktivnost učencev pri športni vzgoji
s l o v e n i j e w w w . z v e z a - z s i s . s i
Slika 4: a) Termografska slika učenke v telovadnici pred začetkom telovadbe ter b) učenke in učenca po teku v telovadnici
Temperature učencev smo merili tudi pri njihovi aktivnosti pri športni vzgoji. Meritve, predstavljene na sliki 4, so pokazale, da se je temperatura učenki po teku znižala glede na začetno temperaturo. Ocenjujemo, da je padec temperature posledica vpliva nižje temperature zraka v telovadnici v primerjavi s temperaturo v razredu in kot posledica potenja. Posledica nižje temperature zraka v telovadnici se kaže predvsem v predelu nosu, ki se zaradi vdihavanja hladnega zraka bistveno ohladi. 3.3 Aktivnost pri suhem in mokrem treningu plavanja
Slika 5: Termografske slike plavalcev v telovadnici po intenzivnemu treningu 29
ZNANOST NA DLANI
w w w . z v e z a - z s i s . s i
Z infrardečo kamero smo spremljali aktivnosti učencev pri suhem in vodnem treningu plavanja. Z meritvami med suhim treningom (slika 5) smo ugotovili, da tudi pri zelo intenzivni vadbi temperatura kože ni narasla glede na začetek treninga. Sklepamo, da je glavni razlog nizka zimska temperatura zraka v telovadnici in intenzivno potenje pri vadbi.
4 Diskusija in zaključek V raziskavi smo ugotavljali ali lahko z infrardečo kamero spremljamo aktivnost učencev in ali se spreminja temperatura, kadar so učenci pod stresom. Ugotovili smo, da temperatura zaradi stresa narasla in to potrdili s primerjavo
z v e z a
s t r o j n i h
i n ž e n i r j e v
s l o v e n i j e
Pri treningu plavanja smo z infrardečo kamero merili temperaturo plavalcev po najtežji seriji plavanja in po končanem treningu. Plavalci so se pred snemanjem po izstopu iz vode dobro obrisali z brisačo. Na sliki 6(a) vidimo levo plavalca po najtežji seriji plavanja, desna slika pa je po končanem treningu plavanja. Čeprav smo vsi plavalci plavali enake discipline, so bili različni deli telesa različne temperature. Na osnovi podatkov iz literature pri atletih [11] smo se odločili, da primerjamo 6 različnih temperatur na telesu, ki so označene z od SP1 do SP6. SP1
predstavlja temperaturo noge, SP2 temperaturo trebuha, SP3 temperaturo rame, SP4 temperaturo komolca, SP5 temperaturo kože pri ključnici in SP6 temperaturo čela. Skupno smo testirali 7 plavalcev. Podobno, kot ugotavljajo o lokalnih termo-regulacijskih mestih pri tekačih [7], smo zaznali ta mesta tudi pri plavalcih, kar je vidno na sliki 6(b) z lokalnimi toplejšimi mesti zgornjega dela telesa plavalca po intenzivnem plavanju. Ta so okoli oči in vratu. Kot je razvidno iz slike 6(c), imajo plavalci različno temperaturo nog po enakem treningu. Ocenjujemo, da je to posledica različnega načina obremenjevanja mišic nog.
Slika 6: Termografske slike plavalcev po plavanju: a) celo telo, b) zgornji del telesa in c) noge 30
SCIENTIFIC PAPER termografskih slik, na katerih so bili učenci pred, med in po pisanju nenapovedanega testa. Opazili smo, da je temperatura učencev med pisanjem testa narastla, takoj po oddaji testa pa je padla. Ugotovljeno je bilo tudi, da nekaterim učencem v stresni situaciji pade temperatura prstov na rokah, kljub temu da je povprečna temperatura obraza v takšni situaciji sicer narasla.
[6] H. Zaïdi, R. Taïar, S. Fohanno, G. Polidori, New approach by infrared thermography to measure the skin temperature of a male competitive swimmer, Journal of Biomechanics 39 S629.
s l o v e n i j e
[7] A. del Estal, C.J. Brito, V.E. Galindo, A. Lopez Diaz de Durana, E. Franchini, M. Sillero-Quintana, Thermal asymmetries in striking combat sports athletes measured by infrared thermography, Science & Sports 32 (2017) e61-e67.
w w w . z v e z a - z s i s . s i
[1] J. Petkovsek, Y. Heng, M. Zupancic, H. Gjerkes, F. Cimerman, I. Golobic, IR thermographic investigation of nucleate pool boiling at high heat flux, Int J Refrig 61 (2016) 127-139.
[5] I. Fernández-Cuevas, J.C. Bouzas Marins, J. Arnáiz Lastras, P.M. Gómez Carmona, S. Piñonosa Cano, M.Á. García-Concepción, M. SilleroQuintana, Classification of factors influencing the use of infrared thermography in humans: A review, Infrared Physics & Technology 71 (2015) 28-55.
i n ž e n i r j e v
Literatura
[4] T.-Y. Su, W.-T. Ho, S.-C. Chiang, C.-Y. Lu, H.K. Chiang, S.-W. Chang, Infrared thermography in the evaluation of meibomian gland dysfunction, Journal of the Formosan Medical Association 116 (2017) 554-559.
s t r o j n i h
Pri preučevanju aktivnosti plavalcev pri suhem in vodnem treningu je bila najbolj presenetljiva ugotovitev, da so bile med plavalci velike razlike pri povišanju telesne temperature na določenih delih telesa, čeprav so vsi plavali enake discipline. Z merjenjem temperature plavalcev smo ugotovili, da nekateri plavalci bolj obremenjujejo mišice nog in trebuha, drugi pa mišice zgornjega dela trupa. Tovrstne raziskave bi bile lahko v pomoč pri treningu plavanja za ugotavljanje katere mišice so bile bolj zapostavljene in jih mora plavalec okrepiti.
[3] H. Zheng, X. Mao, L. Chen, X. Liang, A novel method for quantifying target tracking difficulty of the infrared image sequence, Infrared Physics & Technology 72 (2015) 8-18. z v e z a
Delno smo potrdili, da z infrardečo kamero lahko z merjenjem temperature kože ocenjujemo aktivnost učenca. Za kakovostnejšo analizo aktivnosti učenca bi poleg merjenja temperature kože potrebovali merjenje dodatnih fizioloških parametrov srčno-žilnega sistema, dihanja in potenja. Z merjenjem temperature kože učencev pri različnih aktivnostih in temperaturah okoliškega zraka smo potdili, da je temperatura kože odvisna od aktivnosti učenca in od temperature okoliškega zraka. Na temperaturo kože vplivajo tudi drugi parametri, kot so potenje, hitrost zraka, sončno obsevanje. Na temperaturo kože močno vpliva tudi omočenost kože z vodo. Aktivnost učencev lahko ocenjujemo s temperaturno razliko med temperaturo kože med aktivnostjo in temperaturo kože pred ali po njej. Izmerili smo, da v stresu, ki nastopi pri preverjanju znanja, temperatura kože obraza učencem naraste za od 1 oC do 2 oC.
[2] G. Carlomagno, G. Cardone, Infrared thermography for convective heat transfer measurements, Exp. Fluids 49 (2010) 1187-1218.
[8] J. Haglund, F. Jeppsson, E. Melander, A.-M. Pendrill, C. Xie, K.J. Schönborn, Infrared cameras in science education, Infrared Physics & Technology 75 (2016) 150-152. [9] H. Jesper, J. Fredrik, H. David, J.S. Konrad, Thermal cameras in school laboratory activities, Physics Education 50 (2015) 424. [10] H. Breuer, Atlas klasične in moderne fizike; prevedel in priredil Janez Strnad, Državna založba Slovenije, Ljubljana, 1993, pp. 400. [11] D. Fournet, L. Ross, T. Voelcker, B. Redortier, G. Havenith, Body mapping of thermoregulatory and perceptual responses of males and females running in the cold, Journal of Thermal Biology 38 (2013) 339-344. 31
SLOVENIJO PRVIČ OBISKAL PROFESOR Jacopo
w w w . z v e z a - z s i s . s i
SLOVENIJO PRVIČ OBISKAL PROFESOR Jacopo Buongiorno (MIT) Pripravila: Andreja Cigale
z v e z a
s t r o j n i h
i n ž e n i r j e v
s l o v e n i j e
V juniju je Slovenijo prvič obiskal profesor Jacopo Buongiorno iz ugledne univerze - Tehnološkega inštituta Massachusettsa (MIT, ZDA), ki je ena od vodilnih znanstvenih in tehnoloških ustanov na svetu, posebno na področjih naravoslovja in tehnologije. Na Fakulteti za strojništvo Univerze v Ljubljani je imel predavanje z naslovom Uncovering the Secrets of Boiling Heat Transfer with Advanced Diagnostics and Nanoengineered Surfaces.
32
acopo Buongiorno (MIT) Prof. Jacopo Buongiorno Nuclear Science and Engineering, Massachusetts Institute of Technology (MIT)
which is one of eight Low-Carbon-Energy Centers (LCEC) of the MIT Energy initiative (MITEI), as well as the Director of the MIT study on the Future of Nuclear Energy in a Carbon-Constrained World. Jacopo is a consultant for the nuclear industry in the area of reactor thermal-hydraulics, and a member of the Accrediting Board of the National Academy of Nuclear Training. He is also a member of the Naval Studies Board (National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine), a Fellow of the American Nuclear Society (including service on its Special Committee on Fukushima in 2011–2012), a member of the American Society of Mechanical Engineers, and a participant in the Defense Science Study Group (2014–2015). 33
w w w . z v e z a - z s i s . s i
Jacopo Buongiorno is the TEPCO Professor and Associate Department Head of Nuclear Science and Engineering at the Massachusetts Institute of Technology (MIT), where he teaches a variety of undergraduate and graduate courses in thermofluids engineering and nuclear reactor engineering. Jacopo has published over 70 journal articles in the areas of reactor safety and design, two-phase flow and heat transfer, and nanofluid technology. For his research work and his teaching at MIT he won several awards, including, recently, the Ruth and Joel Spira Award (MIT, 2015), and the Landis Young Member Engineering Achievement Award (American Nuclear Society, 2011). He is the Director of the Center for Advanced Energy Systems (CANES),
s l o v e n i j e
Interview: Jacopo Buongiorno
i n ž e n i r j e v
The facilities comprise specially-designed heaters made of indium tin oxide (ITO) and integrated highfrequency Particle Imaging Velocimetry (PIV), Infrared Thermometry (IR) and High-Speed Video (HSV). Other work has been exploring the separate effects of surface roughness, wettability and porosity on both Critical Heat Flux (CHF) and quenching heat transfer (Leidenfrost point temperature). This is made possible by the use of surfaces with engineered features (e.g. posts, coatings, nanoparticle layers) at the microand nano-scale, which enabled varying the surface roughness, wettability and porosity precisely and independently from each other.
s t r o j n i h
This presentation will review the MIT studies in the area of nucleate boiling heat transfer phenomena through a combination of innovative diagnostics and surfaces carefully engineered at the micro- and nano-scale. Experimental data for inspiration and validation of advanced nucleate boiling models are obtained in pool- and flowboiling facilities that allow timeand space-resolved measurement of a series of important boilingrelevant quantities, including velocity and temperature distributions around individual bubbles, bubble shape, departure diameter and frequency, areal phase distribution and more.
z v e z a
Uncovering the Secrets of Boiling Heat Transfer with Advanced Diagnostics and Nano-engineered Surfaces
Interview: Jacopo Buongiorno 1. We are pleased to host you at the Faculty of Mechanical Engineering in Slovenia. Is this your first time in Slovenia?
z v e z a
s t r o j n i h
i n ž e n i r j e v
s l o v e n i j e
w w w . z v e z a - z s i s . s i
Incredibly, it is my first time in Slovenia, although I grew up in neighbouring Italy.
2. There is one nuclear power plant in Slovenia, in Krško, near the Croatian border. What is the vision for the future of nuclear power? I think that, if we are serious about combatting climate change and reducing CO2 emissions in the atmosphere, nuclear has to be part of the energy mix of the future and possibly not only for electricity, but also for heat markets. You can use nuclear energy also to, for example, generate hydrogen for cars that use fuel cells. My vision for the future is positive, in spite of the many challenges that nuclear faces currently, particularly cost, there is a safety perception problem, and waste.
3. Last year the concept of an offshore floating nuclear plant was presented. Which are the most important advantages of this project? The first advantage is of economic nature. What costs a lot in the construction of a nuclear reactor is its installation. Because it takes place at a site, which is remote, and there is a lot of on-site assembling and welding that take place, concrete pouring, connecting equipment, and things of that type. With the offshore floating nuclear plant concept, the whole plant, not just the reactor, is built in a shipyard, which is much more efficient. It reduces the cost, and also it shortens the schedule. So instead of taking, say, five or six years to build a new nuclear plant, it could take maybe as short as three, four years. And that’s a positive effect on the cost. The second benefit is safety. By having the plant offshore, you can easily access the ocean, sea water, as your heat sink and you can maintain cooling under all circumstances. Even when you lose power to the reactor itself. So it’s economics and safety, those are the two main advantages.
34
4. And could you explain, or perhaps confide in us the reason that MIT is so successful? It’s a great question. I think the quality of the students is very, very high. We are able to attract great students from within the United States, as well as worldwide, . But that doesn’t exactly answer the question, why do they come to MIT in the first place? I think it’s a combination of things. There is a very strong drive for innovation, to do things that are new, break boundaries, push the envelope. And there is also a passion for translating basic science into technologies that can be taken to market. I think the students like that: you get your scientific fundamentals, but you’re also looking at how you can use that knowledge to have an impact in the real world.
5. And how do you get good students at your institution? Using good promotion in good high schools, or is it that your Alumni are such good promotors? The MIT brand certainly attracts people from all over the world. We also do a lot of indirect recruiting by being out there and presenting our work: it’s a good way to attract students, because they see what you do, they like it, they feel excited and then they come. I think that’s probably how it works.
6. Our Faculty is trying different types of promotion. Is there anything you can suggest? You mentioned high school, but MIT does not have a massive high school program. We now have a few that are targeted towards diversity, so mostly women and underrepresented minorities. Particularly underrepresented minorities. But otherwise it’s really just that people know MIT, so we get a lot of applications and it’s quite selective, especially at the undergraduate level. At the graduate level, the number of applications is lower. But it is also more international.
z v e z a s t r o j n i h i n ž e n i r j e v s l o v e n i j e
It’s true that they seem to like my teaching. It means a lot. We do two things at MIT, essentially. One is research, which is very exciting. The other one is teaching. If you’re asking what the key for excellence in teaching is, I think clarity is important. And pace: if you go too slow, they are bored, if you go too fast, they don’t follow. And there’s also being able to connect: keeping it interactive.
8. Be open for questions.
of simply receiving them. Keep the students engaged in the classroom. Finally if the students see that you are passionate about a topic, they’ll like it too. While if they see that you are doing a routine, the material will not resonate with them as well.
9. Well, thank you for your time and a nice conversation. My pleasure. Thank you very much for inviting me. The city is very pretty, so it’s great to be here. 10. That’s very nice. Until next time. Absolutely.
Yes, all the time. Maybe ask questions as well, instead 35
w w w . z v e z a - z s i s . s i
7. And students really like you; you have been awarded the Ruth and Joel Spira Excellence in Teaching Award from the students. What does this award mean to you?
i n ž e n i r j e v
s l o v e n i j e
w w w . z v e z a - z s i s . s i
INTERVJU: MAG. RUDI KRAGELJ, DIREKTOR
INTERVJU – mag. Rudi Kragelj
z v e z a
s t r o j n i h
direktor podjetja Hidria AET Pripravila: Andreja Cigale
Začetki podjetja segajo v leto 1955, takratna Avtoelektro – AET Tolmin je izdelovala avtomobilske vžigalne svečke za bencinske motorje. Podjetje se je hitro širilo, z izgradnjo nove proizvodne hale v letih 1961-1962 se je potreba po delovni sili močno povečala. V desetih letih je število zaposlenih strmo naraslo: v začetku je bilo 18 zaposlenih, leta 1965 pa že kar 224 zaposlenih. V 80. in 90 letih prejšnjega stoletja je podjetje pridobilo precej tehnologije zahodnoevropskih partnerjev, kar je bil razlog za tehnološki preboj. Po razpadu jugoslovanskega trga leta 1991 so se usmerili v razvoj, saj so bili takrat precej odvisni od domačega trga. Leta 1997 postane tolminsko podjetje del korporacije Hidria. Leta 2008 odprejo Hidriin inštitut za avtomobilsko industrijo, s tem so pridobili pogoje za razvoj in preizkušanje najzahtevnejših vžignih sistemov za dizelske motorje. Pomembna pridobitev je bil tudi Tehnološki center v Kopru, kjer poteka avtomatizacija montaže natančnih izdelkov avtomobilske industrije. Danes se Hidria AET uvršča med vodilne proizvajalce vžignih sistemov za dizelske motorje na svetu. S svojimi inovativnimi rešitvami so prisotni skoraj v vseh vozilih svetovno znanih proizvajalcev avtomobilov. O podjetu Hidria AET smo se pogovarjali z direktorjem, mag. Rudijem Kragljem, ki je vodenje podjetja prevzel julija 2016. 36
PODJETJA HIDRIA AET 1. V Družbi Hidria AET se lahko pohvalite z inovacijo dizelske svečke s senzorjem tlaka, ki je zaščitena že z več kot 15 patenti. Gre za velik projekt, ki temelji izključno na slovenskem znanju, drži?
Žal je ta informacija zaupna. Bomo pa o njej poročali, ko bodo naše svečke vgrajene v serijske motorje. V letu 2016 smo za izdelek prejeli nagrado evropskega združenja CLEPA, ki združuje največje dobavitelje za avtomobilsko industrijo. Gre za posebno priznanje nam v Hidrii, s čimer potrjujemo našo inovativno naravnanost.
Dobra plača je le eden od inštrumentov motivacije. Vsekakor pa nagrajujemo patentne prijave in drobne predloge, s katerimi izvajamo stalno izboljševanje poslovanja.
w w w . z v e z a - z s i s . s i
3. Nam lahko zaupate avtomobilska podjetja, za katere boste izdelovali dizelske svečke?
Zaposlenim skušamo zagotoviti urejeno delovno okolje, izobraževanja in druge možnosti napredovanja, tako strokovnega kot napredovanja znotraj skupine Hidria.
s l o v e n i j e
V prvi fazi razvoja smo preverili številne alternativne možnosti zajemanja tlaka. Kasneje v razvoju pa smo se odločili za tisto rešitev, s katero smo prehiteli konkurente in ponudili izdelek, ki presega stanje tehnike na trgu. Kot večina razojnih projektov v avtomobilski industriji, preteče od pogodbe s kupcem do prvega prodanega kosa vsaj tri leta. Trenutno smo v fazi zagona proizvodnje. Tekom leta 2017 bodo sledile presoje s strani pogodbenega partnerja. V 2017 bomo proizvedli le minimalno količino, nekaj tisoč kosov. Redna proizvodnja je planirana od decembra 2017 dalje.
Pri razgovorih s kolegi v razvojnem oddelku ugotavljamo, da je velika motivacija že dejstvo, da podjetje vlaga denar v nove projekte (nove tehnolgije, nove materiale, …). Kolegi v razvoju so zelo motivirani, če lahko aktivno sodelujejo pri teh prebojnih projektih. Sledijo potovanja po Evropi in drugih celinah, predstavitve pri kupcih ali drugih partnerjih.
i n ž e n i r j e v
2. Za inovacijsko svečko ste podpisali večmilijonske pogodbene posle. Je redna proizvodnja inovacijske svečke že v teku?
5. Kako motivirate zaposlene, predvsem tiste v razvojnem oddelku, da so pri svojem delu inovativni in da se razvijajo in izpopolnjujejo?
s t r o j n i h
Rešitev je bila razvita po principu odprtega inoviranja. K sodelovanju smo pritegnili domače in tuje strokovnjake. Vse pravice iz naslova intelektualne lastnine ima Hidria.
Vsekakor pa verjamemo, da imajo električna vozila prihodnost in bod prevladala na trgu. z v e z a
Inovativnost je ena od ključnih vrednosti skupine Hidria. V družbi Hidria AET smo v zadnjih letih za razvoj namenjali več kot 10 % od prodaja. Rezultat tega vložka je inovativna rešitev merjenja tlaka v cilindru motorja za potrebe optimalnega zgorevanje in manjših emisij v okolje.
platform. Težko bi potrdil, da bodo leta 2025 električna vozila že prevladovala, saj je izzivov na tem področju kar veliko, od naftnega in energetskega lobija, cene baterij, reciklabinosti starih baterij, proizvodnje zelene elektrike, infrastrukture …
6. Hidria AET deluje v prelepi posoški dolini, kjer je ogromno možnosti za športne aktivnosti. Ali zaposlene spodbujate k aktivnostim in kako? Dolina reke Soče je res enkratna. Partnerji iz tujine, ki prihajajo na sestanke, so vedno presenečani nad naravo. V družbi se trudimo, da smo do te edinstvene narave odgovorni. S programom promocije zdravja skrbimo in spodbujamo zaposlene, da zdravo živijo. Pripravljen imamo letni program promocije zdravja, ki je sestavljen iz številnih aktivnosti za vse ravni pripravljenosti.
4. Slišati je, da bodo po letu 2025 prevladovala električna vozila. Kako se v podjetju pripravljate na to, razvijate tudi kaj v tej smeri?
Kot podjetje smo vpeti v lokalno okolje in v obliki sponzorstev pomagamo domačim društvom in organizatojem različnih dogodkov.
Trende v avtomobilski industriji skrbno spremljamo. Smo aktivni člani nekaterih evropskih združenj in
Januarja letos ste v Tolminu gostili poslovno srečanje podjetij iz avtomobilske industrije. Organizator Advantage Austria s podporo Slovenskega 37
z v e z a
s t r o j n i h
i n ž e n i r j e v
s l o v e n i j e
w w w . z v e z a - z s i s . s i
INTERVJU: MAG. RUDI KRAGELJ avtomobilskega grozda želi povezati slovenska in avstrijska podjetja ter prikazati možnosti sodelovanja. So takšna srečanja za vas plodna v smislu pridobitve novih strateških sodelovanj?
uspešnega delovanja in bolj odpreti podjetja. Pokazati bi morali, da to niso več podjetja iz konca 80-ih let, ampak da gre za urejena in vrhunska podjejta, ki uspevajo na svetovnem trgu.
Da, taka srečanja so gotovo zelo dobrodošla. Povezovanje ljudi in znanja je nujno za uspešno realizacijo dobrih projektov. Tega se v Hidrii zavedamo, zato sodelujemo in se povezujemo na različnih nivojih.
9. Kakšna je vizija podjetja Hidria AET za prihodnost?
Menim, da je dogodek Advantage Austria v Tolminu lepo uspel in da so bila zadovoljni tudi predstavniki iz tujine. 7. Ste eden izmed pobudnikov, da se v Šolskem centru Tolmin prične izvajati program strojni tehnik. Ministrstvo je odobrilo izvajanje programa za naslednje študijsko leto. Katere prednosti vidite v izvajanju tehniških programov v Posočju? Gre za dva vidika. Najprej gre za prepoznano potrebo po tehničnem kadru v naslednjih letih. Podjetja v Posočju, med Bovcem, Kobaridom, Tolminom in Kanalom so zelo uspešna. V obdobju do leta 2020 bom podjejta rabila približno 65 novih strojnih inženirjev. Mlade bi radi navdušili za študij tehnike, zato tekom leta organiziramo obiske osnovnošolcev v podjetju. Predstavimo jim poklice, delo in tehnologije. Drugi vidik je v podpori srednjega šolstva v Tolminu. Sedaj v Tolminu deluje uspešna gimnazija, ki pa zaradi demografskih trendov ne beleži rasti vpisa. Izguba srednje šole v Tolminu pomeni še hitrejši odliv mladih iz doline. Veliko truda je potrebno vložiti, da se ti mladi vrnejo nazaj v Posočje po koncu študija. Zdi se mi pomembno, da bi podjetja skupaj s šolami in fakultetami bolje sodelovala in izdelala strategijo promocije tehničnih poklicev med mladimi. Inženirji vodimo in skrbimo za razvoj veliko slovenskih podjetij. Mladi morajo prepoznati ta izziv pri dilemi med kariero inženirja, ekonomista ali pravnika. 8. Na kakšen način boste mlade spodbujali, da se bodo odločali za tehniške poklice? Moram priznati, da pri tem še iščemo prave pristope, saj smo prepoznali, da samo obiski v podjetju niso dovolj. Več časa je potrebno nameniti tudi staršem teh otrok, ravno tako učiteljem na osnovnih šolah. Podjetja bi morala več čas nameniti promociji svojega 38
Hidria AET želi v prihodnosti nadaljevati uspešno poslovanje in postati vodilni dobavitelj za področje gretja in senzorike na bodočih pogonskih sistemih zelene mobilnosti. Hidria AET iz leta v leto strmo raste Podjetje Hidria AET s sedežem v Poljubinju v Tolminu s svojo inovativnostjo iz leta v leta raste. Tako za leto 2016 beležijo za 12,8 % več prihodkov od prodaje v primerjavi z letom 2015. Podjetje je večinoma usmerjeno na tuje trge, saj poslujejo s kar 45 državami sveta, kar 84 % prodaje pa se vrši v državah Evropske unije. Celotni prihodki družbe so v letu 2016 znašali 35.8 mio EUR in so bili za 11,9 % višji kot v letu 2015. Uspešnost in inovativnost podjetja so prepoznali tudi drugi, o tem pričajo prejete nagrade: Septembra 2016 so prejeli zlato priznanje Gospodarske zbornice Slovenije za najboljšo inovacijo leta za inovativni sisstem Aeternus (metalna čepna svečka II. generacije). Prejeli so tudi prvo nagrado CLEPA (Združenje evropskih avtomobilskih proizvajalcev) za najinovativnejši izdelek iz kategorije »zelene tehnologije« - to je izdelek za sistem hladnega zagona dizelskega motorja s senzorjem tlaka, Hidria Optymus PSG. Gre za sistem, ki je izjemnega pomena za evropsko in globalno avtomobilsko industrijo, saj se bodo izpusti strupenih plinov in poraba goriva v sodobnih dizelskih motorjih po letu 2018 zmanjšali do 30 %. Hidria AET sodeluje tudi s proizvajalci gradbenih strojev – tudi ti so jih prepoznali kot dobro družbo - ameriška skupina Caterpillar / Perkins jim je tudi v letu 2016 podelila zlato priznanje za odlično delo, redne dobave, kakovostne izdelke, inovativne rešitve in cenovno konkurenčnost.
Flexible measurement systems for Extreme environment testing Power train and E-Mobility Durability testing On-road testing z v e z a s t r o j n i h i n ž e n i r j e v s l o v e n i j e
-40°C .. 85°C
IP 67
100 g shock rating
www.dewesoft.com
39
w w w . z v e z a - z s i s . s i
CAN IN/OUT OPC ANALOG OUT STRAIN & STRESS FLOW TEMPERATURE CURRENT DCOM ACOUSTICS ACCELERATION DIGITAL IN/OUT FORCE RPM VIDEO GPS
V SREDIŠČU: LASERSKO VARJENJE, KLJUČN
w w w . z v e z a - z s i s . s i
Slika 1: Razvojni center družbe Hidria AET d.o.o.
i n ž e n i r j e v
s l o v e n i j e
LASERSKO VARJENJE, KLJUČNA TEHNOLOGIJA NOVIH IZDELKOV
Družba Hidria AET d.o.o. od leta 1997 dalje posluje v okviru skupine Hidria, ki daje posebni poudarek razvoju, proizvodnji in trženju vžignih sistemov za dizel motorje, male bencinske motorje in ogrevalno tehniko na svetovnem trgu.
z v e z a
s t r o j n i h
Hidria AET d.o.o. (slika 1) je del avtomobilske industrije in sledi vsem dogajanjem na tržišču dizel motorjev in širše. Ta so predvsem: •
zmanjšanje emisij skladno s standardi EURO 5 IN 6
•
manjša poraba energije
•
stroškovna učinkovitost
•
nove tehnologije.
V zadnjih letih je družba razvila zelo zahtevne izdelke, ki so v skladu z novimi regulativami okoljske zakonodaje, in sicer vitko čepno svečko, grelnike zraka ter grelnike nafte. Intenzivno poteka razvoj keramične čepne svečke ter svečke z integriranim senzorjem 40
tlaka. Vzporedno z razvojnimi projekti pa se glede na pridobljene nominacije kupcev vrši razvoj tehnologije, kjer je velik poudarek na laserskem varjenju.
Glavni razvojni projekt družbe je v zadnjih letih svečka s senzorjem tlaka (Hidria Optymus PSG) (slika 2). Hidriina rešitev omogoča natančno in sprotno spremljanje tlaka v zgorevalnem prostoru, posledično pa z obdelavo v motornem računalniku tudi zaprtozančno kontrolo zgorevanja. S pomočjo svečke s senzorjem tlaka bodo prihodnji dizelski motorji porabili manj goriva, manj bo škodljivih izpuhov, prav tako bo večji nadzor nad obrabo vitalnih delov, kot so na primer injektorji in podobno. Pri montaži čepne svečke s senzorjem tlaka je izdelanih preko 10 laserskih zvarov, s katerimi so spojene komponente senzorskega dela, elektronskega dela in komponente ohišja (slika 3). Komponente so izdelane iz različnih materialov, kot so: nerjaveče jeklo, nikljeve zlitine in baker.
NA TEHNOLOGIJA NOVIH IZDELKOV
z v e z a s t r o j n i h
Slika 2: Čepna svečka s senzorjem tlaka s kovinskim in keramičnim grelnim elementom
Slika 4: Zvar bakra debeline 0,075mm in nerjavečega jekla
i n ž e n i r j e v s l o v e n i j e w w w . z v e z a - z s i s . s i
Slika 3: Laserski vari čepne svečke s senzorjem tlaka
Kakovost laserskega varjenja je ena izmed ključnih karakteristik, saj direktno vpliva na mehanske lastnosti končanega izdelka, indirektno pa na karakteristike in obnašanje signala. V določenih primerih sta varjeni komponenti izdelani iz različnih materialov, na primer kombinacija nerjavečega jekla in nikljeve zlitine ali nerjavečega jekla in bakra (slika 4). Poleg tega so komponente relativno majhnih debelin od 0,075 mm do 0,5 mm (slika 5).
Slika 5: Zvari komponent debelin od 0,25 mm do 0,35 mm 41
V SREDIŠČU: LASERSKO VARJENJE...
w w w . z v e z a - z s i s . s i
V zvarih se lahko pojavijo tudi različne napake, kot so zračni mehurčki in razpoke (slika 6). Take napake so nezaželene in jih je potrebno z različnimi pristopi odpraviti. Da bi dosegli največjo stopnjo kakovosti in proizvodnjo z nič napakami, kot končni uporabnik v sklopu evropskega projekta COMBILASER razvijamo sistem, ki bo sposoben zaznati odstopanja med procesom varjenja, oceniti kakovost zvara in predlagati ukrepe za izboljšanje procesa.
s l o v e n i j e
Projekt COMBILASER se ukvarja s testiranjem in aplikacijo naprednih tehnologij in rešitev na področju laserskega varjenja v industrijski proces. Proizvodni procesi, ki vključujejo laserske tehnologije, so danes vedno bolj pogost in nezamenljiv del modernih industrijskih procesov v različnih vejah industrije. To velja tudi za avtomobilsko industrijo. Vedno bolj zapletene ter podrobne tehnološke rešitve na avtomobilskih komponentah tako dandanes vse pogosteje vključujejo rešitve, ki za proizvodnjo zahtevajo obvladovanje zapletenih in naprednih procesov laserskega varjenja. Projekt vodi Hidria AET d.o.o. in vključuje 12 partnerjev iz 7 različnih evropskih držav članic, izvajal pa se bo v letih od 2015 do 2017.
s t r o j n i h
i n ž e n i r j e v
Slika 6: Primer zračnega mehurčka v zvaru in razpoke na površini zvara
z v e z a
Slika 7: Sistem za spremljanje procesa laserskega varjenja
Slika 8: Sistem za neporušno kontrolo zvarov, ki deluje na principu ultrazvoka 42
V sklopu projekta se bo za potrebe izdelave čepne svečke s senzorjem tlaka razvil sistem za spremljanje procesa laserskega varjenja (slika 7), sistem za neporušno kontrolo zvarov (slika 8) in sistem, ki bo na podlagi učenja ter spremljanja procesa lahko predvidel kakovost zvara in predlagal ukrepe za izboljšanje kakovosti. Sistem za spremljanje procesa laserskega varjenja deluje na principu spektroskopije plazme in merjenja dimenzij taline. Sistem za neporušno kontrolo varov deluje na principu laserskega ultrazvoka. Uporabljena sta dva laserja. Prvi za ustvarjanje ultrazvočnega valovanja, drugi pa za detekcijo. S celovitim pristopom na področju laserskega varjenja, ki zajema konstrukcijo izdelka, izbiro tehnologije laserskega varjenja, optimizacijo procesnih parametrov, zagotavljanje ustrezne čistosti ter spremljanje procesa in končno kontrolo je zagotovljena najboljša kakovost laserskega varjenja, pri kateri imajo pomembno vlogo tudi rezultati projekta COMBILASER.
V SREDIŠČU: MENTOR LETA
z v e z a s t r o j n i h
MENTOR LETA 2016
i n ž e n i r j e v
Avtor: Tadej Stepišnik Perdih v imenu Mlade akademije
S področja strojništva so bili za mentorje leta predlagani izr. prof. dr. Franci Pušavec in prof. dr. Janez Grum s Fakultete za strojništvo Univerze v Ljubljani, izr. prof. dr. Matej Vesenjak s Fakultete za strojništvo Univerze v Mariboru in izr. prof. dr. Bojan Podgornik in prof. dr. Božidar Šarler z Inštituta za kovinske materiale in tehnologije.
Univerze v Mariboru, doc. dr. Al Vrezec z Nacionalnega inštituta za biologijo in doc. dr. Kristina Žužek Rožman z Instituta Jožef Stefan.
w w w . z v e z a - z s i s . s i
Ocenjevalna komisija je letos prejela kar 155 nominacij za 101 mentorja, kar je skoraj trikrat več kot lani. Rekordni odziv kaže, da v Sloveniji deluje veliko predanih mentorjev, ki jih doktorski študentje opazijo, cenijo ter jim želijo izkazati priznanje za kakovostno delo.
s l o v e n i j e
Doktorski študenti oziroma raziskovalci na začetku kariere so letos že osmič zapored izbirali najboljše slovenske mentorje. Priznanje Mentor leta, ki ga podeljuje Društvo Mlada akademija (nekdanje Društvo mladih raziskovalcev Slovenije), letos prvič v sodelovanju z ARRS, je namenjeno promociji dobrih mentorskih praks, pa tudi osebnemu priznanju posameznih mentorjev.
Sicer pa je glavni namen Društva Mlada akademija združevanje doktorskih študentov in raziskovalcev na začetku kariere oziroma mladih, delujočih v raziskovalni in visokošolski dejavnosti v Sloveniji in Slovencev delujočih na teh področjih v tujini. Društvo skrbi za izobraževanja o temah, povezanih z raziskovanjem in zastopa interese članov Društva v javni sferi in kot deležnik pri soustvarjanju slovenske raziskovalne in visokošolske politike. Več o aktivnostih si lahko preberete na http://www.mladaakademija.si/.
Z naslovom Mentor leta 2016 pa se je okitil prof. dr. Mario Poljak z Inštituta za mikrobiologijo in imunologijo Medicinske fakultete Univerze v Ljubljani. Ostali štirje finalisti so bili prof. dr. Marko Stabej s Filozofske fakultete Univerze v Ljubljani, prof. dr. Mitja Kaligarič s Fakultete za naravoslovje in matematiko 43
w w w . z v e z a - z s i s . s i
INFORMATOR: OD ZASNOVE DO USPEHA -
s l o v e n i j e
OD ZASNOVE DO USPEHA - FORMULA STUDENT UNIVERZE V LJUBLJANI SPLOŠNO O TEKMOVANJU
z v e z a
s t r o j n i h
i n ž e n i r j e v
Formula Student je svetovno najbolj odmevno in uveljavljeno izobraževalno inženirsko tekmovanje na področju avtomobilske industrije, podprto s strani največjih imen industrije, od proizvajalcev avtomobilov, posameznih komponent, njenih dobaviteljev. Sodelovanje v tekmovanju Formula Student (FS) predstavlja enkratno priložnost inovativnim in ambicioznim študentom univerz z vsega sveta, da preizkusijo svoje znanje na praktičnem primeru, pokažejo in nadgradijo svoje zmogljivosti pri ustvarjanju kompleksnega in celovitega produkta v zahtevnem svetu inženirstva ter tako naredijo korak naprej k ustvarjanju svoje kariere v inženirskih vodah. Tekmovanje je zasnovano kot projekt, katerega cilj je ustvariti popolnoma delujoč dirkalnik, ki pa mora biti od faze konstrukcije do faze izdelave v celoti delo študentov samih, seveda z izjemo najkompleksnejših komponent, kot na primer motorja. Obsežna pravila tekmovanja zajemajo dva dela tekmovanja, statični in dinamični. Prvi obsega tehnični pregled dirkalnika, predstavitev finančnega in poslovnega načrta, ter konstrukcijsko poročilo, medtem ko drugega sestavlja dirka v obliki avtokrosa, vzdržljivostna dirka, ski-pad (osmica, kjer se meri bočni pospešek) in pospeševanje. 44
KAKO SE JE VSE ZAČELO Vsak velik dosežek se začne z iskro strasti in prav tako je bilo tudi v primeru ljubljanske ekipe študentske formule. Ustanovna člana David Zupančič Valant in Klemen Grilc sta v akademskem letu 2015/16 zanetila to iskro v kolegih študentih, ljubiteljih inženirstva in osnovala ekipo, ki je že v svojem prvem letu delovanja dokazala sebi in drugim, da goreča želja po inovativnosti in trdemu garanju za dosego svojih ciljev, ustvari neverjetne rezultate, na katere so lahko zelo ponosni.
FORMULA STUDENT UNI LJ POTEK DELA
s l o v e n i j e w w w . z v e z a - z s i s . s i
45
i n ž e n i r j e v
Največji izziv, ki ga projekt članom ekipe predstavlja, pa je časovno merjena vzdržljivostna vožnja 22. km in kako uskladiti vse tehnične postavke dirkalnika, da se to uresniči. V sezoni 2015/16 so pri sestavi sledili načelu majhne mase in enostavnosti. To so dosegli s hibridno šasijo in agregatom iz Aprillie RXV 450. Za dosego tega cilja je bilo pri izdelavi uporabljenih tudi ogromno karbonskih vlaken (monokok, volan, platišča, roka na podvozju) in aluminija, ki omogočata doseči čim manjšo maso. To vodilo procesa izdelava dirkalnike se je izkazalo kot zelo uspešno, saj so se s tem dirkalnikom udeležili
s t r o j n i h
IZZIVI IN REŠITVE
z v e z a
Začne se z podrobnim pregledom obsežnega tehničnega pravilnika in iz tega se naredi prvo skico dirkalnika. Nato se to prenese v 3D modelirnik (Solidworks), kjer postopoma, tekom konstrukcijskega procesa, počasi sestavljamo celoten model. Ob tem se izvajajo dločene trdnostne in druge analize (Abaqus, AVL BOOST, Adams Car, Ansys), ki jim povedo, ali so določene komponente dobre in ali jih je možno še optimirati. Konstrukcija je razdeljena na več sklopov, to so motor in pogon, šasija, podvozje, aerodinamika in elektronika. Pri konstruiranju so naloge razdeljene med člane in ves čas je potrebno paziti na ujemanje komponent med seboj. Glavni materiali pri izdelavi so karbon, aluminij in jeklo. Zaradi strogih varnostnih zahtev tekmovanja je potrebno izvesti številna testiranja komponent (upogibni test, prbojni test, udarni test zmečkljive cone ipd.) in oddati ustrezna poročila. V sodelovanju z mnogimi partnerskimi podjetji člani ekipe pridobivajo neprecenljive izkušnje tudi pri izdelavi modela za kalup in kalupa za monokok sam. Prav tako sami oz. z usmeritvami
bolj izkušenih polagajo karbon. Tukaj sami študentje povežejo osvojeno znanje s fakultet v praktične izkušnje. Seznanijo se s tehnologijami izdelave (večosni CNC stroji itd), kaj je sploh možno izdelati, kako prilagoditi določene posebnosti komponent za lažjo izdelavo itd. Sledi celotna sestava dirkalnika, tako s strojnimi kot električnimi komponentami in najpomembneje čas testiranja pred tekmovanjem. Poleg konstrukcije, izdelave in sestavljanja avtomobila pa v ekipi skrbijo tudi za ekonomski vidik projekta z ekonomskim sklopom. Ta skrbi za dobro sodelovanje z industrijo in nasploh omogoča pridobitev ustreznih sredstev ekipi za celoten projekt. Ob tem skrbi še za promocijo, sodelovanje na dogodkih in vso logistiko. Kot pa to veleva hierarhija ekipe, vse sklope skupaj vodi vodstvo ekipe, ki usklajuje vse dejavnosti skupaj in skrbi za nemoten potek dela.
INFORMATOR: FORMULA ŠTUDENT
z v e z a
s t r o j n i h
i n ž e n i r j e v
s l o v e n i j e
w w w . z v e z a - z s i s . s i
tekmovanja Formula SAE Italy 2016 in tako z njim nadaljujejo tudi v sezoni 2016/17, ki trenutno poteka. Letos jim motor dirkalnika predstavlja 675 - kubični trivalni Triumphov agregat, za katerega računajo, da bo imel, sicer v povečani masi, dvakrat toliko moči, kot jo je predstavljal lanski motor. Z drikalnikom so se v poletnem času pomerili na dirkah FS Netherlands 2017, FS IMechE 2017 (UK), FS Hungary 2017. SODELOVANJA IN PODPORNIKI Največja zahvala za uspeh projekta pa gre predvsem vsem tistim, ki verjamejo v ta projekt, predvsem velikodušnim sponzorjem, ki ekipi z materialno pomočjo omogočajo sredstva za izdelavo, s pomočjo izdelave z mehanizacijo, ki je vitalnega pomena za sestavo specifičnih komponent dirkalnika, z dobrodošlimi nasveti ter celo s finančno pomočjo olajšajo in omogočijo, da svoje zastavljene cilje tudi uresničujejo. To so: MAHLE Letrika d.o.o., Kolektor Group d.o.o., KROKAR d.o.o., TPV Prikolice d.o.o., TPV d.o.o., SHD Composite Materials Ltd, Skf Slovenija trgovina d.o.o., G-M&M, d.o.o., Iskra Mehanizmi, d.o.o., Študentski kampus - ŠOU Ljubljana, 3D konstrukcije, Leon Plestenjak s.p., Avto magazin - Adria Media Ljubljana, založništvo in trženje, d.o.o., Fakulteta za strojništvo – Univerza v Ljubljani, Sinter Ljubljana d.o.o., Plamtex INT, d.o.o., Prit d.o.o., Unior d.d., Društvo STROJNIK.SI, Univerza v Ljubljani, Hidria, d. o. o., BTS Company trgovina in zastopanje, d.o.o., MDM d.o.o., RECA, d.o.o., SIJ elektrode Jesenice d.o.o., Laprina, Nina Šavor, nega telesa in grafične storitve, s.p., Avto Minjon d.o.o., M Sora d.d., Tracon Lendava d.o.o., DSV Transport d.o.o., INITUS d.o.o. – Benn.si, ELPRO Lepenik & Co. d.o.o., Berk-Vehovar Kompoziti d.o.o., Air’N’Shox, popravila in vzdrževanje koles, Milan Marjanović s.p., EUROTON, D.O.O. Naj omenimo še sledeče laboratorije in profesorje, ki so jim velikodušno posvetili čas in znanje ter laboratorijsko opremo, da smo napredovali in uspevali: LABOD (prof. Kopač), LAVEK (prof. Klemenc), LICeM (prof. Katrašnik), LAT (prof. Valentinčič) . Posebna zahvala pa gre dekanu g. prof. Široku in prof. Boltežarju za neizmerno pomoč.
Pripravila: Polona Glušič Foto: Arhiv ekipe Superior Engineering - Formula student Team Ljubljana 46
NAČRTI ZA PRIHODNOST Ker pa se ekipa zaveda, da je slovenska avtomobilska industrija v veliki meri usmerjena v električna vozila oz. njihove komponente, pa tudi ker je prihodnost na strani obnovljivih energetskih virih, v prihodnosti stremijo k izdelavi dirkalnika na električni pogonski sklop. Prav v ta namen so že v zdajšnji sezoni zasnovali povsem novo ekipo elektrotehnikov, ki bodo za sezono 2017/18 razvijali ta zastavljen sistem, se soočali in celovito pristopali k izzivom, ki so povezani z izdelavo takega dirkalnika. DOGODKI Ker na mladih svet stoji in ker si osnovana ekipa želi, da bi projekt živel in cvetel tudi v bodoče, podaja svoje znanje in strast do projekta v zasnovanem programu mentorstva starejših članov, vodij posameznih sklopov, tudi mlajšim kolegom, ki bodo v prihodnosti ohranjali in nadgrajevali že osvojeno znanje. Ekipa je v svojem prvem letu obstoja zelo aktivno širila vest o projektu in vabila k sodelovanju tudi na odmevnih dogodkih leta, kot na primer Tehnogenij 2016, Pozdrav brucem 2016, Informativa 2017, Proslava ob dnevu suverenosti Republike Slovenije 2016 in tudi s predstavitvijo na prestižnem 24. avtomobilskem salonu Slovenije 2017, kjer jih je obiskal tudi sam premier g. Miro Cerar in župan MOL g. Zoran Jankovič. Kolikor pa je le v njeni moči, vrača dobroto tudi skupnosti s sodelovanjem v socialnih projektih kot na primer s krvodajalstvom članov ekipe, obdarovanjem socialno ogroženih otrok v projektu Božiček za en dan.
JEZIKOVNI ODTENKI Pisanje barv in barvnih odtenkov
z v e z a s t r o j n i h
2. Kadar gre za barvni odtenek, ki je sestavljen iz dveh izrazov za barvo, in kadar je nek predmet enobarven, pišemo besedo skupaj. Na primer: rumenorjav pult (rjavi barvi je primešan delež rumene barve, torej pult je enotne barve), modrozelen vrč (zeleni barvi je primešana modra barva).
Obstaja pa izjema pri dodajanju prislova svetlo in temno – pri zapisu obstaja dvojnica, besede lahko pišemo skupaj ali narazen, na primer: temnomoder ali temno moder, svetlo rumen, svetlorumen. Vir: Slovenski pravopis. Pravila. Spletna izdaja. Inštitut za slovenski jezik Frana Ramovša ZRC SAZU in Slovenska akademija znanosti in umetnosti. Ljubljana, 2010. Povzela: Andreja Cigale
47
w w w . z v e z a - z s i s . s i
1. Kadar gre za kombinacijo dveh barv, oziroma če je nek predmet večbarven, to izrazimo s priredno pridevniško zloženko – besedo zapišemo z vezajem: rumeno-rjav pult, modrozelen vrč. Z vezajem poudarimo, da je pult rumene in rjave barve, ter da je vrč modre in zelene barve.
3. Kadar izražamo odtenek tako, da barvo s čim primerjamo, besedi pišemo narazen. Te lahko vedno razvežemo z besedicama kot ali da: na primer peščeno siv (siv kot pesek), travnato zelen (zelen kot trava), žareče rdeč (rdeč, kot, da žari).
s l o v e n i j e
Pri zapisovanju izrazov za barve so se uveljavila naslednja načela:
i n ž e n i r j e v
Pisanje barv in barvnih odtenkov
AKADEMIJA STROJNIŠTVA 2017 6. mednarodna konferenca strojnih inženirjev
INŽENIRSTVO – za kakovostnejše življenje LJUBLJANA, CANKARJEV DOM 26. OKTOBER 2017 OB 1900
z v e z a
s t r o j n i h
i n ž e n i r j e v
s l o v e n i j e
NAJAVA DOGODKA
w w w . z v e z a - z s i s . s i
VABILO NA DOGODEK
Spoštovani, Zveza strojnih inženirjev Slovenije ponosno najavlja že tradicionalni slavnostni dogodek slovenske strojne in inženirske stroke, četrto Akademijo strojništva z mednarodno konferenco strojnih inženirjev 2017.
Glavni namen dogodka je poudariti vlogo inženirjev na Slovenskih tleh in širše ter prikazati dosežke slovenskega inženirstva kot plod sodelovanja znanosti in industrije. Na slavnostnem dogodku se bomo najuspešnejšim podjetjem in zaslužnim posameznikom poklonili tudi s podelitvijo nagrad.
Prijazno vas vabimo, da 26. oktobra 2017 prisostvujete na slavnostni Akademiji strojništva v Cankarjevem domu. prof. dr. Iztok Golobič predsednik Zveze strojnih inženirjev Slovenije