Page 1

fot: www.pexels.com

kwartalnik techniczno-informacyjny l ISSN 2084-1949 l cena 25,00 zł l (34) rok VIII l październik/listopad/grudzień l nr 4/2019

W numerze: n Diamentowo-ceramiczne narzędzia kompozytowe n Obróbka elektrochemiczno-elektroerozyjna materiałów kompozytowych n Badania skrzydła samolotu bezzałogowego wykonanego metodą druku 3D n Odporność na uderzenia laminatów stosowanych na elementy nadwozia pojazdów


Wydawca: Media Tech s.c. Redaktor naczelna: Katarzyna Mazur tel. kom. 797 125 417 katarzyna.mazur@materialykompozytowe.biz Dyrektor projektu: Ewa Majewska tel. kom. 797 125 418 ewa.majewska@matrialykompozytowe.biz Dział prenumeraty: prenumerata@materialykompozytowe.biz Fotoskład i layout: Lucyna Franczyk Korekta: Barbara Sput Przewodniczący Rady Programowej: prof. dr hab. inż. Jacek Kaczmar prof. Politechniki Wrocławskiej Rada Programowa: prof. nadzw. dr hab. inż. Michał Basista Instytut Podstawowych Problemów Techniki Polskiej Akademii Nauk dr hab. inż. Wojciech Błażejewski Politechnika Wrocławska prof. dr hab. inż. Stanisław Błażewicz Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie dr hab. inż. Lucyna Jaworska prof. Uniwersytetu Pedagogicznego w Krakowie Instytut Zaawansowanych Technologii Wytwarzania dr inż. Krzysztof Formela Politechnika Gdańska prof. dr hab. Aneta Krzyżak Lotnicza Akademia Wojskowa dr inż. Wojciech Kucharczyk Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny w Radomiu prof. dr hab. inż. Katarzyna Pietrzak Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych prof. dr hab. inż. Józef S. Suchy Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie dr inż. Aneta Tor-Świątek Politechnika Lubelska prof. dr hab. inż. Gabriel Wróbel Politechnika Śląska Każdy członek Rady Programowej kwartalnika „Materiały Kompozytowe”, który podczas dwóch kolejnych lat nie opublikuje artykułów, jest uważany za rezygnującego z członkostwa.

Adres redakcji: ul. Żorska1/45, 47-400 Racibórz redakcja@materialykompozytowe.biz tel./fax 32 733 18 01 Redakcja nie odpowiada za treść ogłoszeń oraz artykułów sponsorowanych. Zastrzegamy sobie prawo skracania i adiustacji tekstów. Przedruk i rozpowszechnianie artykułów i reklam opracowanych przez redakcję jest zabronione bez zgody wydawcy.


SPIS TREŚCI

www.intec.pl

4

Wpływ zawartości włókna szklanego i obróbki cieplnej na wytrzymałość zmęczeniową kompozytów POM 8 Diamentowo-ceramiczne narzędzia kompozytowe 12 Właściwy wybór narzędzi do obróbki kompozytów to sukces 13 Technologia cięcia strumieniem wody 14 Obróbka elektrochemiczno-elektroerozyjna materiałów kompozytowych 17 4. Targi INNOFORM® w Bydgoszczy ponownie wskażą kierunki rozwoju branży 18 BRATR obróbka kompozytów 19 Systemy cięcia CNC firmy CMS Polska Sp. z o.o. 20 RT-F 1400 nowy design, nowa technologia, zaprezentowane na targach światowych K’2019

obróbka i cięcie str.

4

www.kompozyty.net

22

28 30 31 34 36

Badania skrzydła samolotu bezzałogowego wykonanego metodą druku 3D Materiały w przemysłowym druku 3D Powstała największa dotąd wydrukowana trójwymiarowo łódź Filament z kompozytu PVB do zastosowań w druku 3D (FDM) Drukowany samochód kompozytowy – kompozyt węglowy Szwedzcy naukowcy opracowali nową metodę druku 3D z celulozy

druk 3D str.

22

www.freepik.com

37

Odporność na uderzenia laminatów stosowanych na elementy nadwozia pojazdów 41 KOMPOZYT-EXPO® – misja, biznes, rozwój od dekady 43 TOOLEX – niezawodne narzędzie w biznesie 45 Kompozyty elastomerowe o polepszonych właściwościach użytkowych

materiały kompozytowe str.

50

53 56

Analiza i wykorzystanie dźwiękochłonnych właściwości granulatu gumowego Jakość odlewów z kompozytów metalowo-ceramicznych Sandvik zaprezentował pierwszy kompozyt diamentowy podczas RAPID+TCT

37

technologie str.

50


4

obróbka i cięcie

Wpływ zawartości włókna szklanego i obróbki cieplnej na wytrzymałość zmęczeniową kompozytów POM MARIOLA WOJCIECHOWSKA, DARIUSZ KWIATKOWSKI, MARCIN HYRCHEL

W artykule omówiono wyniki badań wpływu napełniacza na wytrzymałość zmęczeniową i strukturę kompozytu poliacetalu (POM) z 25% zawartością włókna szklanego. Badania wykonano dla próbek przed i po procesie wygrzewania. Badania wykazały, że proces obróbki cieplnej powoduje zmiany w badanym kompozycie. Na skutek wygrzewania zauważono wzrost wytrzymałości zmęczeniowej badanych materiałów. Struktura badanych tworzyw również uległa zmianie na skutek wygrzewania. Próbki do badań zostały uzyskane technologią wtryskiwania. Wraz z poszerzającą się wiedzą na temat tworzyw polimerowych, zwiększa się zainteresowanie zastąpienia nimi innych materiałów w aplikacjach, w których poddawane są one różnego rodzaju obciążeniom długotrwałym statycznym bądź dynamicznym. Z tego względu podejmowane są wysiłki badawcze w celu lepszego poznania mechanizmu uszkodzeń zmęczeniowych [1–3]. O wytrzymałości zmęczeniowej kompozytów polimerowych na osnowie tworzyw termoplastycznych z napełniaczami w postaci krótkich włókien lub cząstek decydują trzy występujące równocześnie zjawiska: l nagrzewanie się lepkosprężystej osnowy polimerowej i postępujące procesy degradacji zmęczeniowej; l utrata adhezji pomiędzy osnową i włóknem wskutek cyklicznych naprężeń stycznych na ich granicy; l pękanie i rozdrobnienie włókien – długość ich maleje, osiągając wartości poniżej tzw. długości krytycznej – zmniejsza się zdolność do wzmocnienia kompozytu. Wiadomo również, iż sam wzrost temperatury ma wpływ zarówno na podstawowe właściwości mechaniczne (np. naprężenia przy plastycznym płynięciu czy moduł sprężystości), jak i przemiany fazowe polimeru (temperatura zeszklenia) oraz charakter i cechy jego mikrostruktury [4]. W celu zmiany niektórych właściwości tworzyw polimerowych stosowana jest obróbka cieplna. Najczęściej stosowane jest wygrzewanie, które przeprowadza

się w ośrodku płynnym lub gazowym, w temperaturze maksymalnej krystalizacji wtórnej obrabianego tworzywa. Wysoka temperatura wygrzewania umożliwia relaksację naprężeń wewnętrznych i przemiany fazowe oraz zmianę udziału fazy krystalicznej. Ośrodek do wygrzewania wybiera się w zależności od rodzaju tworzywa oraz warunków eksploatacji wytworzonych z niego elementów [5]. Jak wykazano w pracach [6, 7], w których przedstawione zostały wyniki badań wpływu wygrzewania na stopień krystaliczności, obróbka cieplna spowodowała wzrost udziału fazy krystalicznej w porównaniu do próbek niewygrzewanych. Ponadto wygrzewanie wpłynęło na zmianę wytrzymałości na rozciąganie oraz twardość polipropylenu. Zaobserwowano zwiększenie tych wartości w granicach do 20%, podczas gdy udarność próbek uległa

pogorszeniu [8]. Wpływ obróbki cieplnej na strukturę i właściwości tworzyw polimerowych opisano obszernie w wielu pracach [9–11]. Celem niniejszej pracy było przedstawienie wpływu procesu obróbki cieplnej na wytrzymałość zmęczeniową i strukturę kompozytu POM z 25% zawartością napełniacza w postaci włókna szklanego typu E.

Materiał i metodyka badań Badaniom poddane zostały próbki z poliacetalu o nazwie handlowej Tarnoform 300 (standardowa odmiana szybko zestalająca się i przeznaczona do technologii wtryskiwania). Tworzywo wyprodukowane zostało przez Zakłady Azotowe w Tarnowie. Przeprowadzono badania wyprasek wykonanych z nienapełnionego polimeru oraz z kompozytu poliacetalu o zawartości 25% włókna szklanego (GF) o symbolu E ze szkła boro-glino-krzemowego, długości wyjściowej 3 mm i średnicy 10 μm. Próbki do badań wykonano metodą wtryskiwania przy użyciu wtryskarki KRAUSS – MAFFEI typu KM65 – 160C1. Parametry przetwórstwa zestawiono w tabeli 1. Przed procesem wtryskiwania, tworzywo w postaci granulatu poddane zostało dwugodzinnemu suszeniu w suszarce CABINET DRYER firmy SHINI w temperaturze 100°C.

Tabela 1. Parametry przetwórstwa badanych materiałów polimerowych Parametr przetwórstwa

Wartość parametru

Jednostka

temperatura wtryskiwania

200

°C

temperatura formy

90

°C

ciśnienie docisku

70

MPa

prędkość wtryskiwania

57

mm/s

czas fazy wtrysku

0,9

s

czas docisku

28

s

czas chłodzenia

10

s

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 4/2019 l


obróbka i cięcie Część próbek do badań poddana została obróbce cieplnej. Wygrzewanie przeprowadzone zostało w atmosferze powietrza. Na podstawie badań własnych oraz danych literaturowych [12] ustalono następujące warunki procesu wygrzewania: l szybkość nagrzewania – 1°C/min; l czas wygrzewania – 900 s/1 mm grubości; l szybkość chłodzenia – 0,5°C/min; l temperatura wygrzewania – 140°C. W celu określenia wpływu obróbki cieplnej na właściwości mechaniczne wyprasek porównano ze sobą wyniki badań wyprasek przed i po procesie wygrzewania. Badania zmęczeniowe przy zginaniu wahadłowym przeprowadzono w temperaturze otoczenia 23±1°C na maszynie wytrzymałościowej INSPEKT DESK 20 firmy HEGEWALD & PESCHKE. Do oceny wytrzymałości zmęczeniowej zastosowano metodę Wöhlera. Jej istota polega na obciążeniu próbki naprężeniem okresowo zmiennym o stałej amplitudzie. Wyznaczone liczby cykli, aż do przełomu zmęczeniowego próbek, stanowią podstawę wykresu zmęczeniowego, sporządzonego na ogół w układzie współrzędnych logarytmicznych. Asymptota krzywej zmęczenia określa na osi rzędnych nieograniczoną trwałą wytrzymałość zmęczeniową. W praktyce, w celu zmniejszenia pracochłonności badań, przyjmuje się graniczną liczbę cykli zmęczeniowych, tzw. bazę, po której przekroczeniu przerywa się próbę, jeżeli na danym poziomie naprężenia nie nastąpi przełom zmęczeniowy [13]. Przeprowadzone próby zmęczeniowe prowadzono aż do zniszczenia próbek. Obserwacje mikrostruktury próbek z poliacetalu (POM) i jego kompozytu z włóknem szklanym wykonane zostały za pomocą mikroskopu polaryzacyjnego. Badania prowadzono na ścinkach o grubości 15 μm wycinanych prostopadle do kierunku przepływu tworzywa. Próbki poddane zostały 4 godzinnemu procesowi trawienia w temperaturze pokojowej. Jako odczynnik trawiący użyty został roztwór nadmanganianu potasu o stężeniu wagowym 0,6% wag. w mieszaninie stężonego kwasu siarkowego ze stężonym kwasem ortofosforowym w stosunku objętościowym 2:1. Po trawieniu próbki zostały wypłukane i wysuszone, a następnie w celu uzyskania warstwy przewodzącej napylono je złotem w ilości 0,1 g na próbkę.

5

Rys. 1. Wytrzymałość zmęczeniowa kompozytu POM przed wygrzewaniem (kolor czarny) i po wygrzewaniu (kolor szary)

Rys. 2. Wytrzymałość zmęczeniowa kompozytu POM z 25% zawartością włókna szklanego przed wygrzewaniem (kolor czarny) i po wygrzewaniu (kolor szary)

Na rysunku 1 przedstawiono zależność maksymalnego naprężenia w funkcji liczby cykli w skali jedno logarytmicznej dla POM przed i po wygrzewaniu. W miarę wzrostu liczby cykli wartość naprężenia ulega

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 4/2019 l

Rys. 3. Mikrostruktury wyprasek z POM nienapełnionego oraz z 25% zawartością włókna szklanego: a) przed wygrzewaniem, b) po wygrzewaniu

t

Badania eksperymentalne


6

obróbka i cięcie

zmniejszeniu, aż do momentu pęknięcia próbki. Obserwowany spadek siły (naprężeń) przyjęto za miarę stopnia degradacji zmęczeniowej badanego materiału. Próbki POM po wygrzewaniu wykazywały większą wytrzymałość zmęczeniową. Podobne zależności uzyskano w próbach zmęczeniowych kompozytu POM z 25% zawartością włókna szklanego. Miejscem początku niszczenia kompozytu jest powierzchnia na granicy osnowy kompozytu i włókna. W wyniku działania naprężenia stycznego następuje pękanie osnowy. Powstające w materiale pęknięcia stają się miejscem spiętrzenia naprężeń. Po dalszych cyklicznych obciążeniach następuje proces łączenia powstałych pęknięć, co objawia się gwałtownym spadkiem naprężenia. Przykładowy wykres Wöhlera dla kompozytu POM z 25% zawartością włókna szklanego przed i po wygrzewaniu, uzyskany z przeprowadzonych badań, przedstawiono na rysunku 2. Próbki po obróbce cieplnej miały o 15% większą wytrzymałość zmęczeniową. Podczas badań zmęczeniowych próbki z kompozytu POM z 25% zawartością włókna szklanego wytrzymały ponad 107 cykli. W przypadku POM próbki wytrzymały około 106 cykli. Po osiągnięciu miliona cykli można było zaobserwować asymptotyczne zmniejszanie się maksymalnego naprężenia do wartości Zrs. Obrazy przedstawiające mikrostruktury poliacetalu i jego kompozytu przed i po wygrzewaniu, pozwalające na ocenę zmian wywołanych tym procesem, przedstawiono na rysunku 3. Analiza obrazów ukazuje dobrą homogenizację badanego przez nas kompozytu i równomierne rozłożenie w nim napełniacza. W strukturze poliacetalu oraz jego kompozytu z 25% udziałem włókna szklanego widać wyraźnie liczne dobrze wykształcone sferolity. Wprowadzenie napełniacza w postaci włókien szklanych spowodowało wyraźne zmniejszenie wymiarów pojedynczych sferolitów. Włókna szklane ograniczają rozrost sferolitów. Podczas wygrzewania próbek (rys. 3b), wykształciła się większa ilość mniejszych sferolitów, co doprowadziło do uzyskania w badanej próbce struktury drobnoziarnistej. W badanych próbkach zauważal-

ne są również obszary amorficzne, które występują w osnowie w postaci ciemnych plam.

Wnioski Na podstawie przeprowadzonych badań sformułowano następujące wnioski: l Obróbka cieplna wyprasek z poliacetalu i jego kompozytu z włóknem szklanym włynęła korzystnie na wytrzymałość zmęczeniową. Próbki po wygrzewaniu wykazywały o 15% większą wytrzymłość zmęczeniową. l Stały spadek wartości naprężenia jest wynikiem postępującej degradacji zmęczeniowej materiału. l Miejscem początku niszczenia kompozytu jest powierzchnia na granicy osnowy kompozytu i włókna. l W poliacetalu sferolity mają większe rozmiary niż w przypadku kompozytu POM z 25% zawartością włókna szklanego, spowodowane to jest tym, iż włókna szklane ograniczą ich rozrost w osnowie polimerowej. l Przeprowadzone badania ukazały, iż dodanie napełniacza i przeprowadzenie obróbki cieplnej mogą mieć duży wpływ na właściwości wyrobu gotowego.

Literatura [1] A. Neimitz: Mechanika pękania, PWN Warszawa, 1998. [2] K. Sobczyk, B.F. Spencer Jr.: Stochastyczne modele zmęczenia materiałów, WNT Warszawa, 1996. [3] S. Mazurkiewicz, S. Żmudka: Ocena własności zmęczeniowych kompozytów za pomocą badań przyspieszonych, Zeszyty Naukowe Politechniki Poznańskiej. Budowa Maszyn i Zarządzanie Produkcją 2010, nr 12, s. 241-246. [4] A. Liber-Kneć, S. Żmudka, S. Kuciel: Porównanie mechanizmów zniszczenia zmęczeniowego polimerów termoplastycznych pochodzenia naturalnego i syntetycznego, Polimery i Kompozyty Konstrukcyjne 2010. [5] J. Koszkul: Wpływ obróbki cieplnej na strukturę oraz wybrane właściwości fizyczne poliamidu 6 i politrioksanu, Częstochowa 1985.

[6] R. Sobczak, Z. Nitkiewicz, J. Koszkul: Struktura nadcząsteczkowa i własności termiczne kompozytów na osnowie polipropylenu wzmacnianych włóknem szklanym, Kompozyty (Composites) 2003, nr 3/8, s. 343–349. [7] R. Caban, A. Gnatowski: Wpływ obróbki cieplnej na właściwości termiczne kompatybilizowanych mieszanin polimerów, Inżynieria Materiałowa 2008, nr 29/6, s. 977-980. [8] J. Koszkul: Kompozyt mieszaniny PA/PP i włókna szklanego, Kompozyty (Composites) 2002, nr 2/3, s. 73–77. [9] X. Liu, Q.Wu: Phase transition in nylon 6/clay nanocomposites on annealing, Polymer, 2002, nr 43/6, s. 1933–1936. [10] X. Hu, X. Zhao: Effects of annealing (solid and melt) on the time evolution of polymorphic structure of PA6/silicate nanocomposites, Polymer, 2004, nr 45/11, s. 3819–3825. [11] A. Gnatowski: Badania struktury i właściwości termicznych polietylenu i kompozytów polietylenu z włóknem tekturowym po procesach wygrzewania i starzenia promieniami UV, Kompozyty (Composites) 2009, nr 9/3, s. 238– 243. [12] J. Koszkul: The application of differential thermal analysis to investigation of thermoplastics, Journal of Thermal Analysis 1992, nr 38, s. 2311– 2323. [13] A. Gnatowski, D. Kwiatkowski, W. Baranowski: Badania wytrzymałości zmęczeniowej i pełzania kompozytów polimerowych z napełniaczem proszkowym i włóknistym, Kompozyty (Composites) 2009, nr 9/1, s. 94–98. Publikacja współfinansowana w ramach projektu „Nowoczesny inżynier przyszłością naszej gospodarki – atrakcyjne studia na kierunkach zamawianych” nr UDA-POKL.04.01.02-00-218/11-00 współfinansowanego ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego, realizowana w ramach BS/PB-1-102-3060/2011/P.

Artykuł został opublikowany w czasopiśmie „Przetwórstwo Tworzyw”, nr 4 (lipiec–sierpień) 2013.

mgr inż. Mariola Wojciechowska dr hab. inż. Dariusz Kwiatkowski, prof. PCz. mgr inż. Marcin Hyrchel Politechnika Częstochowska Zakład Przetwórstwa Polimerów reklama

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 4/2019 l


obróbka i cięcie

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 4/2019 l

7


8

obróbka i cięcie

Wpływ prędkości szlifowania ściernicami diamentowymi ze spoiwem ceramicznym na jakość powierzchni narzędziowego materiału kompozytowego do obróbki żeliwa

Diamentowo-ceramiczne narzędzia kompozytowe BARBARA STANIEWICZ-BRUDNIK, ELŻBIETA BĄCZEK, GRZEGORZ SKRABALAK WŁODZIMIERZ WILK

W artykule przeanalizowano wpływ parametrów i warunków obróbki szlifowaniem ściernicami diamentowymi ze spoiwem ceramicznym (Ba23 bis, W1) na strukturę geometryczną powierzchni obrabianej narzędziowych materiałów kompozytowych. Topografię powierzchni obrabianej określono poprzez parametry wysokościowe, horyzontalne, obraz 2 i 3D. Obliczono wydajność ubytkową szlifowania Qw [mm3/min], właściwą wydajność ubytkową szlifowania Q’w [mm3/mm·s] oraz parametr G [mm3/mm3]. Opracowano model matematyczny opisujący zmianę chropowatości powierzchni Ra przedmiotu obrabianego w funkcji głębokości szlifowania oraz prędkości obwodowej ściernicy. Narzędzia ścierne supertwarde, w tym diamentowe pozwalają na obróbkę w procesie szlifowania trudnoobrabialnych materiałów konstrukcyjnych (kompozytów metalowo-ceramicznych na osnowie aluminium, magnezu, tytanu, tytanu i jego stopów, metali nieżelaznych wzmocnionych twardymi cząstkami, kompozytów węglików spiekanych z fazą diamentową lub z regularnego azotku boru), stosowanych w różnych dziedzinach przemysłu; począwszy od kosmicznego po farmaceutyczny i medycynę regeneracyjną. Szczególnie szybko rozwijają się narzędzia diamentowe ze spoiwem ceramicznym. Wynika to przede wszystkim z unikatowych właściwości tych narzędzi: możliwości szerokiej regulacji koncentracji ziarna ściernego (C120–C480), struktury, porowatości i twardości, dużej zdolności do samoostrzenia i łatwości profilowania. W Instytucie Zaawansowanych Technologii Wytwarzania od wielu lat prowadzi się badania nad otrzymywaniem spoiw ceramicznych do narzędzi supertwardych o sterowanych właściwościach fizykochemicznych oraz badania ściernic zawierających te spoiwa. Publikacja ta dotyczy badań wpływu parametrów szlifowania ściernicami diamentowymi zawierającymi nowo opracowane spoiwa ceramiczne (Ba23 bis i W1) na jakość powierzchni nowych materiałów konstrukcyjnych typu BNDCC (cubic boron nitride dispersive in cemented carbide), przeznaczonych na ostrza noży tokarskich do obróbki żeliwa.

Metodyka badań Próbki kompozytów BNDCC na bazie węglika spiekanego, zawierające ziarna regularnego azotku boru o granulacji 4–8 µm, otrzymane metodą PPS (Plasma Pulse Sintering), zostały dostarczone przez Wydział Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej (4 sztuki). Do przeprowadze-

nia prób szlifowania powierzchni kompozytów wykonano ściernice diamentowe typu 6A2 100x10x4 D46 C360 V Ba23 bis oraz 6A2 100x10x4 D46 C360 V W1. Proces szlifowania prowadzono na uniwersalnej szlifierce narzędziowej 3E642 z zastosowaniem chłodzenia przez polewanie 2% roztworem koncentratu chłodziwa Synkon PGA w wodzie wodociągowej. Zastosowano następujące parametry szlifowania: l prędkość obwodowa ściernicy vs = 12, 15, 20 m/s; l prędkość posuwu stołu vf = 210 mm/min; l głębokość szlifowania ae: 0,002; 0,005 mm/podw.skok; l czas maszynowy jednego cyklu: 10 min; l liczbę powtórzeń prób: 3-krotnie. Wpływ parametrów i warunków obróbki szlifowaniem na strukturę geometryczną powierzchni obrabianej kompozytów ustalono dokonując badań chropowato-

Rys. 1. Wpływ prędkości szlifowania powierzchni kompozytów BNDCC ściernicą D46 Ba23 bis na wydajność ubytkową szlifowania w zależności od głębokości szlifowania, ae Tabela 1. Wyniki szlifowania próbek BNDCC ściernicami diamentowymi 6A2 100x10x4 D46 ze spoiwem ceramicznym Ba23 bis Materiał

ae, mm

0,002 2,13 0,005

Prędkość obwodowa Vs, m/s

Qw, mm3/s

Q’w, mm3/mm·s

G

Ra, µm

12

1,35

0,14

3,41

0,03

15

2,29

0,23

29,48

0,02

20

1,31

0,13

17,91

0,025

12

1,27

0,13

5,88

0,015

15

2,23

0,22

26,94

0,011

20

1,21

0,12

16,94

0,017

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 4/2019 l


obróbka i cięcie

Wyniki badań i dyskusja Wyniki badań procesu szlifowania kompozytów BNDCC ściernicami diamentowymi 6A2 ze spoiwami ceramicznymi przedstawiono w tabelach 1–2 oraz na wykresach (rys. 1–6). Widocznym był wpływ prędkości obwodowej ściernicy na parametry wydajnościowe procesu szlifowania. Ściernice diamentowe zawierające oba rodzaje spoiw (Ba23 bis i W1) najkorzystniej pracowały przy prędkości obwodowej ściernicy 15 m/s i głębokości szlifowania 0,005 mm/pod. skok. Dla próbki 2,13 szlifowanej ściernicą diamentową zawierającą spoiwo Ba23 bis maksymalna wydajność ubytkowa wynosiła 2,23 mm3/s, a właściwa wydajność ubytkowa 0,22 mm3/mm·s. Dla tej samej próbki szlifowanej ściernicą diamentową zawierającą spoiwo W1 wartości wydajności szlifowania były porównywalne (Qw = 2,25 mm3/s, Q’w = 0,23 mm3/mm·s). Chropowatość powierzchni próbek utrzymywała się na stałym poziomie (0,011–0,03 µm), przy wszystkich prędkościach obwodowych ściernicy. Wartości parametrów wysokościowych (Rz, Rt), jak i horyzontalnych (Sa, St, Sz) były bardzo niskie, co świadczyło o uzyskaniu lustrzanej powierzchni próbek kompozytowych. Symetryczny rozkład krzywej udziału materiałowego wskazywał na brak nierówności typu ostre wgłębienia. Obraz 3D w obu przypadkach jednoznacznie określał jednorodność badanych powierzchni kompozytów.

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 4/2019 l

Rys. 2. Wpływ prędkości szlifowania powierzchni kompozytów BNDCC ściernicą D46 Ba23 bis na właściwą wydajność ubytkową szlifowania w zależności od głębokości szlifowania, ae

Rys. 3. Wpływ prędkości szlifowania powierzchni kompozytów BNDCC ściernicą D46 Ba23 bis na wartość wskaźnika szlifowania w zależności od głębokości szlifowania, ae Tabela 2. Wyniki szlifowania próbek BNDCC ściernicami diamentowymi 6A2 100x10x4 D46 ze spoiwem ceramicznym W1 Prędkość Q’w, obwodowa Qw, mm3/s G Ra, µm Materiał ae, mm mm3/mm·s Vs, m/s 12 1,32 0,13 13,56 0,02 0,002 15 2,30 0,23 31,12 0,012 20 1,19 0,12 12,02 0,025 2,13 12 1,24 0,12 17,39 0,02 0,005 15 2,25 0,23 15,24 0,018 20 1,13 0,11 7,82 0,025 Tabela 3. Wyniki chropowatości powierzchni kompozytu BNDCC szlifowanego ściernicą D46 Ba23 Rodzaj parametru, µm średnia S min max rozstęp Ra 0,011 0,001 0,009 0,013 0,005 Rq 0,014 0,001 0,011 0,018 0,007 Rp 0,029 0,003 0,023 0,036 0,013 Rv 0,036 0,005 0,027 0,057 0,030 Rz 0,065 0,006 0,050 0,086 0,035 Rc 0,029 0,004 0,022 0,042 0,019 Rt 0,090 0,016 0,061 0,125 0,064

Rys. 4. Wpływ prędkości szlifowania powierzchni kompozytów BNDCC ściernicą D46 W1 na wydajność ubytkową szlifowania w zależności od głębokości szlifowania, ae

t

ści powierzchni obrabianych materiałów na profilometrze warsztatowym Hommel Tester T1000. Wyznaczając parametr Ra oraz wykorzystując profilometr modułowy TOPO 01vP, wyznaczono parametry wysokościowe Ra, Rz, Rt, horyzontalne Sa, Sz, St, obraz 2D i 3D, udział nośny liniowy. Wyznaczono model matematyczny obiektu badań przy założeniu parametrów niezależnych (głębokości szlifowania ae, prędkości obwodowej ściernicy vs) i parametru zależnego (chropowatości powierzchni kompozytu Ra), posługując się wielomianem drugiego stopnia z interakcjami. Po każdej próbie szlifowania określano ubytek liniowy i wagowy próbki oraz ubytek warstwy ściernej narzędzia. Na podstawie uzyskanych wyników obliczono wskaźniki wydajnościowe: objętość ubytkową materiału, wydajność ubytkową szlifowania Qw [mm3/s], właściwą wydajność ubytkową szlifowania Q’w = Qw/ bp, gdzie bp – czynna szerokość ściernicy i syntetyczny wskaźnik szlifowania G=Vw/ Vs, gdzie Vw – ubytek objętości materiału obrabianego, Vs – zużycie objętościowe ściernicy.

9


10

obróbka i cięcie

Wyniki z badaĹ„ struktury geometrycznej prĂłbek po szlifowaniu przedstawiono na rys. 7 oraz w tabeli 3. FunkcjÄ™ obiektu badaĹ„ przyjÄ™tÄ… w postaci wielomianu drugiego stopnia z interakcjami, opisano poniĹźszym wzorem: Dla Ba23 bis: đ?‘Ś = 0,15 – 7,76 ∙ ae – 0,01 ∙ đ?‘‰đ?‘ + 0,27 ∙ ae ∙ đ?‘‰đ?‘  Dla W1: đ?‘Ś = 0,014 – 1,6 ∙ ae – 0,02 ∙ đ?‘‰đ?‘  + 0,18 ∙ ae ∙ đ?‘‰đ?‘  gdzie: ae, đ?‘‰đ?‘  – wielkoĹ›ci wejĹ›ciowe; đ?‘Ś – wielkość wyjĹ›ciowa (Ra). Analiza statystyczna uzyskanych wynikĂłw badaĹ„ eksperymentalnych obejmowaĹ‚a: l aproksymacjÄ™ funkcji obiektu badaĹ„; l statystycznÄ… weryfikacjÄ™ adekwatnoĹ›ci funkcji aproksymujÄ…cej; l statystycznÄ… weryfikacjÄ™ istotnoĹ›ci współczynnikĂłw funkcji aproksymujÄ…cej. Dopasowania poszczegĂłlnych rĂłwnaĹ„ regresji do wynikĂłw eksperymentu dokonano na podstawie współczynnika korelacji wielowymiarowej R oraz na podstawie wartoĹ›ci funkcji t-Studenta i wartoĹ›ci funkcji F-Snedecora. PrzyjÄ™to poziom istotnoĹ›ci Îą = 0,05.

Podsumowanie

1. Zastosowane w ściernicach diamentowych nowo opracowane spoiwa Ba23 bis i W1 spełniły załoşone kryteria. 2. Widoczny był wpływ prędkości obwodowej ściernic diamentowych na parametry wydajnościowe procesów szlifowania. 3. Najlepsze wyniki wydajności ubytkowej szlifowania i właściwej wydajności ubytkowej szlifowania uzyskano przy prędkości obwodowej ściernicy 15 m/s. 4. Ściernice z nowymi spoiwami Ba23 bis oraz W1 umoşliwiły uzyskanie bardzo niskiej chropowatości powierzchni szlifowanych kompozytów (Ra = 0,011–0,03 ¾m) przy uşyciu ziarna D46. 5. Wyznaczona funkcja obiektu badań dla procesu szlifowania ściernicą D46 Ba23 i D46 W1 kompozytów BNDCC potwierdziła prawidłowość doboru parametrów obróbki szlifowaniem.

Literatura [1] Norma PN-EN ISO 4287:1999/A1:2010P: Specyfikacje geometrii wyrobów – Struktura geometryczna powierzchni: metoda profilowa – Terminy, definicje i parametry struktury geometrycznej powierzchni. [2] Z. Polański: Metody optymalizacji w technologii maszyn, PWN, Warszawa 1977.

Rys. 5. Wpływ prędkości szlifowania powierzchni kompozytów BNDCC ściernicą D46 W1 na właściwą wydajność ubytkową szlifowania w zaleşności od głębokości szlifowania, ae

Rys. 6. Wpływ prędkości szlifowania powierzchni kompozytów BNDCC ściernicą D46 W1 na wartość wskaźnika szlifowania w zaleşności od głębokości szlifowania, ae

Rys. 7. Obraz 2D oraz 3D wraz z udziałem materiałowym dla próbek kompozytowych szlifowanych ściernicą D46 Ba23 bis

Tabela 4. Wyniki chropowatości powierzchni kompozytu szlifowanego ściernicą D46 W1 Rodzaj parametru, ¾m

średnia

S

min

max

rozstęp

Ra

0,017

0,003

0,009

0,022

0,013

Rq

0,024

0,006

0,012

0,039

0,027

Rp

0,045

0,009

0,30

0,067

0,038

Rv

0,081

0,024

0,034

0,137

0,102

Rz

0,071

0,060

0,021

0,246

0,224

Rc

0,126

0,032

0,064

0,203

0,139

Rt

0,328

0,158

0,115

0,745

0,631

MATERIAĹ Y KOMPOZYTOWE 4/2019 l


reklama

obróbka i cięcie

Rys. 8. Obraz 2D oraz 3D wraz z udziałem materiałowym dla próbek kompozytowych szlifowanych ściernicą D46 W1

Rys. 9. Wpływ parametrów obróbki na chropowatość powierzchni próbek kompozytów BNDCC szlifowanych ściernicą D46 Ba23 bis

Rys. 10. Wpływ parametrów obróbki na chropowatość powierzchni próbek kompozytów BNDCC szlifowanych ściernicą D46 W1

[3] M. Rosiński, A. Michalski: WCCo/cBN composites produced by pulse plasma sintering method- Journal of Materials Sci-ence 2012,vol 47, 20, pp.7064-7071, DOI:10.1007/s10853-012-6532-x. [4] B. Staniewicz-Brudnik: Ściernice z regularnego azotku boru ze spoiwem ceramicznym – nowe możliwości w obróbce ściernej. Agenda Wydawnicza SIMP. Warszawa, 2010. Mechanik, nr 8–9/2010, s. 576–577. [5] B. Staniewicz – Brudnik, E. Bączek, G. Skrabalak: Badania procesu szlifowania kompozytów BNDCC ściernicami diamentowymi ze spoiwem ceramicznym. Agenda Wydawnicza SIMP. Warszawa, 2014. Mechanik, nr 7, s. 502–505.

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 4/2019 l

Artykuł został opublikowany w czasopiśmie „Mechanik” nr 9 z 2014 r. jako materiał z XXXII Naukowej Konferencji Obróbki Ściernej.

dr inż. Barbara Staniewicz-Brudnik, prof. IZTW dr inż. Elżbieta Bączek dr inż. Grzegorz Skrabalak mgr inż. Włodzimierz Wilk Instytut Zaawansowanych Technolgii Wytwarzania ul. Wrocławska 37A 30-011 Kraków www.ios.krakow.pl

11


12

obróbka i cięcie

Właściwy wybór narzędzi do obróbki kompozytów to sukces Rola i zastosowanie materiałów kompozytowych w codziennym życiu jest już nie do zakwestionowana przez nikogo. A żywotność i małe koszty ich utrzymania, przyciągnęły uwagę w wielu gałęziach przemysłu. Największymi beneficjentami obniżenia kosztów eksploatacji gotowych wyrobów są linie lotnicze korzystające z najnowszych modeli samolotów budowanych w technologii kompozytowej. Przykładowo Samoloty serii Boeing 777 to zaledwie 11% masy kompozytów, ale już model Boeing 787 był pierwszym na świecie dużym samolotem komercyjnym wykonanym głównie z materiałów kompozytowych. Kompozyty stanowią 50% ciężaru strukturalnego tego samolotu i około 80% jego objętości. Podjęto wielkie wysiłki, aby zastąpić metale kompozytami, ale to ekonomia eksploatacji samolotu wyjaśnia cel. Samoloty wykonane w głównej mierze z kompozytów są z natury bardziej odporne na zmęczenie i korozję, dlatego cena zakupu samolotu nie jest najważniejszą kwestią, ale koszty jego utrzymania i eksploatacji, które potrafią wielokrotnie przekroczyć koszty nabycia nowego samolotu.

Jaki to ma wpływ na firmy produkujące i obrabiające elementy kompozytowe? Generalnie elementy kompozytowe są wytwarzane z materiałów o strukturze i kształcie zbliżonym do „siatki”. Kompozyt jest formowany i nakładany na wcześniej wykonane matryce o wymaganym kształcie. To dlatego w porównaniu do aluminiowego elementu konstrukcyjnego, część wykonana z kompozytów wymaga dużo mniejszego nakładu obróbki. Z drugiej strony obróbka kompozytu może być naprawdę trudna. Z definicji kompozyty nie są jednorodne tak jak metal. Struktura kompozytu jest kombinacją dwóch lub więcej materiałów zaprojektowanych w celu uzyskania najlepszych właściwości zarówno wytrzymałości, jak również ciężaru. Tworzy się to celowo, aby uzyskać w efekcie końcowym taki materiał, którego żaden z materiałów składowych

nie mógłby osiągnąć samodzielnie. Tworzywa sztuczne wzmocnione włóknem węglowym (CFRP) to zazwyczaj główny materiał kompozytowy w częściach samolotów, w skład wchodzą żywice wzmocnienie włóknem węglowym. Firma, która będzie obrabiać ten materiał kompozytowy, musi zmierzyć się z wieloma wyzwaniami. Największe problemy to zbyt duża ilość ciepła powstała podczas obróbki – co zabójczo powoduje niszczenie narzędzi oraz wpływa na problem delaminacji włókna węglowego, czyli powoduje szarpanie, a nie przecinanie włókien, częściej one pękają zamiast być gładko ścinane.

Ostatecznym efektem może być kosztowna obróbka i wysoka cena, jeżeli zbyt dużo powstaje odpadu W każdym przypadku zastosowanie odpowiedniego narzędzia skrawającego i geometria narzędzia wpływa na wydajność cięcia i żywotność narzędzia. Dotyczy to szczególnie obróbki kompozytów. Jednak w kompozytach materiał, z jakiego wykonane jest narzędzie, staje się również sukcesem jego wydajności. Kompozyty mogą powodować, że narzędzie zużywa się tak szybko, że geometria może również zmieniać się gwałtownie – chyba że materiał krawędzi może wytrzymać ścieranie wystarczająco dobrze, aby utrzymać swoją geometrię i zachować ostrość.

Materiały na narzędzia do obróbki kompozytów Odpowiednio dobrany węglik spiekany jest chyba najlepszym surowcem, chociaż narzędzia węglikowe do obróbki kompozytów częściej muszą być wymieniane niż narzędzia np. z PCD. Ale dzięki nowoczesnym powłokom zabezpieczającym wydajność narzędzi rośnie kilkukrotnie w porównaniu do narzędzi bez powłoki.

Narzędzia diamentowe mają znacznie większą żywotność, ale narzędzia PCD znacznie ograniczają możliwości konstrukcji geometrii narzędzia. Pozostają jeszcze narzędzia węglikowe z powłoką diamentową PCD uzyskaną w specjalnych komorach. Jednak porównanie cenowe narzędzi z powłoką DLC-H i powłoką PCD to duża różnica cenowa, dodatkowo dochodzi minimalna grubość powłoki, która ma wpływ na utrzymanie ostrej krawędzi ostrza. Powłoki DLC-H mają grubości rzędu 1,5–2 mikrony, natomiast powłoki PCD efektywne mają ok. 6–8 mikronów, co już znacznie zaokrągla krawędź ostrza. Dodatkowo różnica cenowa ważna jest tam, gdzie ryzyko złamania narzędzia jest większe. Wszystkie te czynniki brane są pod uwagę przy zakupie narzędzia, aby ekonomicznie wyprodukować dany element. Jeżeli jednak do wyprodukowania jest jeden lub dwa eksperymentalne produkty, to być może koszty narzędzi nie będą odgrywały tak istotnej roli jak w przypadku produkcji większych serii, gdzie w kalkulacji trzeba ująć realne koszty narzędzi. Dzięki wieloletniemu doświadczeniu i największej ofercie firma N-POL cutting tools jest w tym momencie czymś w rodzaju eksperta w dziedzinie obróbki kompozytów, który już na wczesnym etapie rozwinął swoje doświadczenie w dziedzinie obróbki kompozytów. Od ponad 5 lat rozwijamy produkcję narzędzi do obróbki materiałów kompozytowych. Mamy w swej ofercie ponad 30 różnych geometrii frezów i wierteł do kompozytów. artykuł sponsorowany

N-POL Mazańcowice 1093 43-391 Mazańcowice tel. 603 937 374 info@npol.com.pl, www.npol.pl

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 4/2019 l


obróbka i cięcie

Technologia cięcia strumieniem wody Technologia cięcia strumieniem wody (waterjet) została wprowadzona do użytku na początku lat 70. ubiegłego wieku. Elastyczność i niezawodność procesu dają możliwość zastosowania go tak samo w dużej produkcji seryjnej, jak w małych instalacjach oraz rozwiązaniach kompleksowych. Innowacyjne przedsiębiorstwa każdego dnia znajdują kolejne możliwości zastosowań cięcia strumieniem wody przy ultrawysokim ciśnieniu, które w najbardziej zaawansowanych rozwiązaniach sięga już 6200 bar! Rozwiązania te rozszerzają możliwości produkcji i prowadzą do lepszej efektywności oraz rentowności.

Serce systemu do cięcia strumieniem wody stanowi pompa wysokiego ciśnienia wytwarzająca maksymalnie ciśnienie nawet do 6200 bar. Zdecydowanie najważniejszą częścią pompy wysokiego ciśnienia jest multiplikator, czyli dwa połączone ze sobą cylindry wysokociśnieniowe, w których następuje wzmocnienie sygnału i wytworzenie tak wysokiego ciśnienia roboczego wody. Pomimo istnienia technologii od wielu już lat i stosowania jej w praktyce od około 40 lat, do tej pory zaledwie garstka producentów potrafi poradzić sobie z takim żywiołem jak woda pod ciśnieniem dochodzącym do 6200 bar i zaproponować rozwiązania techniczne,

gwarantujące wysoką wydajność i niewielkie zapotrzebowanie na części zamienne oraz serwis. Większość oferowanych na rynku polskim maszyn wyposażona jest w technologię umożliwiającą pracę przy ciśnieniu rzędu 4000 bar, a przypomnijmy, że takie ciśnienie osiągały już pompy produkcji firmy Ingersoll-Rand w 1971 roku. Obecnie wraz ze wzrostem ciśnienia roboczego do poziomu 6200 bar, efektywność pracy rośnie w decydującym stopniu – osiągane prędkości cięcia są, w zależności od materiału, średnio o połowę wyższe. Co niemniej istotne, wykorzystanie wyższego ciśnienia prowadzi do znacznych oszczędności ścierniwa potrzebnego do obróbki. Maszyna pracująca z ciśnieniem 6200 bar zużywa nawet 70% mniej drogiego środka ściernego. Warto zauważyć, że zużycie części eksploatacyjnych, dzięki zastosowaniu rewolucyjnych zmian materiałowych jest bliskie poziomu, które znamy z tradycyjnych maszyn wykorzystujących technologię ciśnień rzędu 4000 bar, a niejednokrotnie

nawet niższych. Przykład może stanowić zestaw uszczelniający pompy PRO-3 (trzeciej generacji popularnej grupy pomp 6200 bar), który nie wymaga wymiany przez co najmniej 1000 roboczogodzin. Maszyna typu waterjet składa się z reguły ze wspomnianych tu już pomp wysokiego ciśnienia, głowic tnących oraz systemów dozowania ścierniwa. W przypadku poważniejszej awarii profesjonalni dostawcy maszyn oferują fachowy serwis i części zamienne dostępne 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu. Maszyny wykorzystujące technologię cięcia strumieniem wody stają się w ostatnich latach coraz bardziej powszechne w naszym kraju. Daje się zauważyć rosnącą tendencję do wprowadzania technologii cięcia wodą do procesów produkcyjnych, nawet w niewielkich zakładach z racji coraz większej przystępności urządzeń typu waterjet.

KMT Waterjet Systems ul. Poleczki 21 02-822 Warszawa tel. 22 5450660, fax 22 5450661 www.kmt-waterjet.pl reklama

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 4/2019 l

13


14

obróbka i cięcie

Obróbka elektrochemiczno-elektroerozyjna materiałów kompozytowych GRZEGORZ SKRABALAK, ANDRZEJ STWORA

W artykule zaprezentowano obróbkę materiałów kompozytowych na bazie węglików spiekanych z ziarnami diamentu, wykorzystującą hybrydową technologię obróbki elektrochemiczno-elektroerozyjnej oraz wirującą elektrodę w roli narzędzia. Przedstawione wyniki badań uwzględniają wydajność, dokładność procesu obróbki oraz jego wpływ na strukturę warstwy wierzchniej. Przedstawione badania mają na celu aplikację zaproponowanej technologii obróbki dla potrzeb wytwarzania narzędzi skrawających z kompozytów zawierających ziarna diamentowe. Obserwowany w ostatnich latach rozwój materiałów wykorzystywanych w przemyśle motoryzacyjnym oraz lotniczym, jak i dążenie do zwiększenia wydajności produkcji przy jednoczesnym ograniczeniu liczby braków, wymagają stosowania narzędzi skrawających o wysokiej wytrzymałości, umożliwiających pracę przy wyższych niż dotychczas prędkościach skrawania. Materiały, z których wykonane są ostrza skrawające, często charakteryzują się dużą twardością, przez co stawiają jednocześnie duże wyzwania przed narzędziami i metodami obróbki, które pozwoliłyby precyzyjnie i wydajnie ukształtować ostrze skrawające. Nowe materiały konstrukcyjne typu DDCC (Diamond Dispersed Cemented Carbide) przeznaczone na ostrza skrawające, charakteryzujące się wysoką twardością i odpornością na zużycie ścierne, dużą wytrzymałością na pękanie, wymagają opracowania i optymalizacji technologii oraz narzędzi do obróbki tychże materiałów [1]. Narzędzia wykonane z kompozytu DDCC charakteryzują się wysoką twardością, oraz dużą odpornością na zużycie (nawet kilkunastokrotnie wyższa niż w przypadku standardowych węglików spiekanych) [2]. W artykule zaprezentowano hybrydową metodę obróbki elektrochemiczno-elektroerozyjnej zastosowaną do kształtowania materiału kompozytowego – DDCC. Ostrza skrawające wykonane z kompozytu DDCC znajdują zastosowanie m.in. w przemyśle motoryzacyjnym do obróbki tłoków oraz elementów silników wykonanych ze stopów aluminium, umożliwiając obróbkę z wysokimi prędkościami skrawania.

Hybrydowa obróbka elektrochemiczno-eletroerozyjna wirującą elektrodą Proces obróbki elektrochemiczno-elektroerozyjnej (ECDM) wykorzystuje zjawisko wyładowań elektrycznych w elektrolitach. Kombinacja dwóch rodzajów ubytkowej obróbki bezstykowej pozwala na uzyskanie dużych wydajności procesu przy zachowaniu jednocześnie wysokiej dokładności oraz jakości powierzchni obrabianej [3-5]. Proces obróbki ECDM znajduje zastosowanie podczas drążenia głębokich otworów, obróbki wykańczającej form wtryskowych oraz podczas obróbki materiałów kompozytowych. Jedną z odmian procesu obróbki ECDM jest obróbka ECDM wykorzystująca wirującą elektrodę, schematycznie przedstawiona na rysunku 1. Podczas procesu obróbki ECDM wirującą elektrodą, elektroda, obracająca się z prędkością ω, jest ustawiana względem

przedmiotu obrabianego na głębokość g0 (rys. 1b). Elektroda porusza się względem przedmiotu obrabianego z prędkością Vf. Proces usuwania materiału z przedmiotu obrabianego zlokalizowany jest w dwóch strefach: obróbki elektrochemicznej (EC) oraz strefie wyładowań elektrycznych/ obróbki elektroerozyjnej (ED). Wyładowania w obszarze ED występują w warstwie gazów obecnych w szczelinie międzyelektrodowej, powstałych w efekcie lokalnego wrzenia elektrolitu. Z uwagi na fakt, że warstwa gazów nie rozkłada się równomiernie w całej szczelinie międzyelektrodowej, rozmiary stref obróbki elektrochemicznej i elektroerozyjnej zmieniają się w trakcie trwania pojedynczych impulsów napięcia zasilającego szczelinę międzyelektrodową. Wyładowania występujące w strefie obróbki elektroerozyjnej (ED) przyczyniają się do powstawania charakterystycznych kraterów, powodując zwiększoną chropowatość powierzchni. Nierówności te są wygładzane podczas fazy obróbki elektrochemicznej – w strefie obróbki EC [3-4]. Stanowisko doświadczalne Doświadczenia związane z obróbką hybrydową kompozytów DDCC prowadzono na stanowisku badawczym zbudowanym w oparciu o 3-osiową sterowaną numerycznie obrabiarkę elektrochemiczną EOCA 40. Obrabiarka została wyposażona w głowicę szlifierską umożliwiającą obrót elektrody roboczej z prędkością 500–7000 obr./min. Schematycznie sta-

Rys. 1. Schemat procesu obróbki ECDM wirującą elektrodą (b) wykorzystującego impulsowe napięcie zasilające szczelinę roboczą (a) [3]

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 4/2019 l


obróbka i cięcie

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 4/2019 l

Rys. 2. Schemat stanowiska do badań procesu obróbki ECDM wirującą elektrodą: 1 – przedmiot obrabiany, 2 – elektroda robocza, 3 i 4 – głowica szlifująca, 5 – falownik do sterowania prędkością obrotową elektrody, 6,7,8 – część obrabiarkowa oraz układ obiegu i filtracji elektrolitu, 9 – układ zasilający szczelinę roboczą prądem impulsowym

Rys. 3. Komora robocza obrabiarki z zainstalowaną elektrodą oraz przedmiotem obrabianym

stem napięcia międzyelektrodowego oraz wzrostem długości czasu impulsu można również zaobserwować wzrost chropowatości powierzchni dna rowka. Również w tym przypadku zwiększony udział roztwarzania elektrochemicznego wpływa na szybsze usuwanie materiału, fazy wiążącej, odsłaniając tym samym ziarna diamentu. Wyniki doświadczeń przedstawione w tabeli 1, dotyczą obróbki wirującą elektrodą z prędkością 5000 obr./min. W ramach prowadzonych doświadczeń wy-

Rys. 4. Wymiary części roboczej wykorzystywanej elektrody (a), pomiar geometrii uzyskanego kształtu (b)

konano również eksperymenty związane z określeniem wpływu prędkości obrotowej elektrody roboczej – rysunek 5. W tym celu wykonano eksperymenty dla 8 prędkości obrotowych elektrody roboczej: od 0–7000 obr./min (z krokiem 1000 obr./min). Aby zachować przejrzystość, wykres przedstawiony na rysunku 5 nie uwzględnia szerokości rowków uzyskanych dla

Tabela 1. Wymiary rowka i chropowatość powierzchni jego dna w zależności od parametrów energetycznych procesu obróbki ECDM elektrodą wirującą z prędkością 5000 obr./min Szerokość Chropowatość powierzchni Czas Czas rowka [mm] dna rowka [μm] U [V] I [A] impulsu przerwy [μs] [μs] Rz DÓŁ GÓRA Ra 30 30 40 40 3,22 3,32 1,32 6,92 30 30 200 200 3,25 3,41 1,44 8,25 30 30 40 120 3,18 3,25 1,31 7,15 50 30 40 40 3,26 3,34 1,35 7,22 50 30 200 200 3,33 3,43 1,43 8,14 50 30 40 120 3,22 3,27 1,36 7,48 70 30 40 40 3,32 3,40 1,36 7,53 70 30 200 200 3,45 3,56 1,47 8,22 70 30 40 120 3,28 3,36 1,39 7,67 90 30 40 40 3,38 3,45 1,42 7,52 90 30 200 200 3,48 3,61 1,49 8,34 90 30 40 120 3,34 3,45 1,41 7,25

t

nowisko badawcze zaprezentowano na rysunku 2. Komorę roboczą obrabiarki z zainstalowaną głowicą szlifierską i elektrodą roboczą zaprezentowano na rysunku 3. Jako źródło zasilania szczeliny roboczej wykorzystano urządzenie/generator skonstruowany w ramach projektu ELESIN przez zespół prof. Wollenberga i dr H.-P. Schulze’a w Otto von Guericke University w Magdeburgu. Generator ten pracuje w trybie stałoprądowym, umożliwiając pracę z następującymi nastawami [5]: l prąd roboczy: 0–50 A; l napięcie międzyelektrodowe: 20–99 V; l czas impulsu/przerwy: 10–2000 μs. Podczas prowadzonych prac doświadczalnych, jako elektrodę roboczą wykorzystano tarczę miedzianą o średnicy 100 mm oraz szerokości części roboczej 3 mm (rys. 4a). Proces obróbki był prowadzony w wodnym roztworze NaCl o stężeniu 3% i temperaturze 20–22°C. Wyniki badań procesu obróbki ECDM kompozytu DDCC Wykorzystując zaprezentowane wcześniej stanowisko badawcze, wykonano kilka serii doświadczeń związanych z obróbką – wykonaniem rowków w kompozycie DDCC. Rowki o długości 8 mm i głębokości 2 mm były wykonywane w 4 przejściach elektrody roboczej (za każdym razem elektroda była obniżana o 0,5 mm – głębokość g0, rys. 1b). Prędkość przesuwu elektrody względem przedmiotu obrabianego: Vf = 1 mm/ min. Przedmiot obrabiany stanowiły próbki wykonane z kompozytu DDCC, z ziarnami diamentu o wielkości 6–12 μm oraz 20% udziale wagowym diamentu w kompozycie (waga diamentu względem osnowy przed spiekaniem). Podstawowe charakterystyki procesu zostały określone w oparciu o: l wyznaczoną wydajność procesu obróbki; l pomiar chropowatości powierzchni po obróbce; l pomiar geometrii uzyskanego kształtu – odwzorowanie kształtu elektrody roboczej (rys. 4b). Wyniki przeprowadzonych badań przedstawiono w tabeli 1. Na podstawie analizy zaprezentowanych wyników można stwierdzić, że obróbka ECDM wirującą elektrodą pozwala na precyzyjne kształtowanie elementów wykonanych z kompozytów DDCC. Zwiększone rozbicie otworu widoczne w przypadku procesu prowadzonego przy wyższym napięciu oraz przy dłuższych czasach impulsu związane jest z większym udziałem roztwarzania elektrochemicznego (rys. 1b – strefa EC). Wraz ze wzro-

15


16

obróbka i cięcie

elektrody nieruchomej (0 obr./min) – w tym przypadku zmniejszono prędkość przesuwu elektrody Vf. do 0,2 mm/min. W tym przypadku szerokość rowka w górnej części była równa ~5,5 mm, natomiast w dolnej ~4,2 mm. Wyniki doświadczeń, związanych z określeniem wpływu prędkości obrotowej elektrody na dokładność obróbki, pozwalają stwierdzić, że w przypadku obrotów nie mniejszych niż 4000 obr./min zmiana prędkości obrotowej nie wpływa znacząco na poprawę dokładności procesu obróbki. W przypadku mniejszych prędkości obrotowych rozbicie rowka jest większe. Podczas prowadzonych doświadczeń z wirującą elektrodą nie zaobserwowano zużycia elektrody roboczej. W przypadku pracy z nieruchomą elektrodą zaobserwowano zużycie zarówno powierzchni czołowej, jak i powierzchni bocznych. Czoło elektrody uległo „skróceniu” o 0,4 mm, natomiast szerokość elektrody zmniejszyła się o 0,3 mm (do 2,82 mm przy czole elektrody) do 0,15 mm (do 2,97 mm, na wysokości 1,5 mm od czoła elektrody). Analiza mikrostruktury powierzchni kompozytu DDCC po obróbce ECDM Oprócz dokładności geometrycznej oraz wydajności procesu obróbki, istotnym czynnikiem decydującym o możliwości jego praktycznego zastosowania jest wpływ procesu obróbki na strukturę warstwy wierzchniej obrabianego materiału. Ma to szczególne znaczenie w przypadku wytwarzania elementów, części pracujących w trudnych warunkach, jak ostrza i narzędzia skrawające. Na rysunku 6 zaprezentowano strukturę powierzchni kompozytu DDCC przed procesem obróbki, z kolei na rysunkach 7–9 zaprezentowano mikrostrukturę warstwy wierzchniej kompozytu DDCC po obróbce ECDM wirującą elektrodą. Na podstawie analizy przedstawionych mikrostruktur, można stwierdzić, że obróbka ECDM wirującą elektrodą nie wpływa negatywnie na warstwę wierzchnią obrabianych elementów wykonanych z kompozytu DDCC. Widoczne na rysunku 7 mikropęknięcia fazy wiążącej nie wnikają głębiej niż na około 20–30 μm w głąb powierzchni przedmiotu obrabianego (rys. 8 a, b). Podobny stan warstwy wierzchniej kompozytu DDCC po obróbce ECDM, jak na dnie rowka, występuje również na obrobionej ściance wykonanego rowka (rys. 9).

Podsumowanie Zaproponowana metoda obróbki kompozytu DDCC, wykorzystująca zjawiska wyładowań w elektrolitach (ECDM)

Rys. 5. Dokładność odwzorowania kształtu elektrody z zależności od prędkości obrotowej (U=30V, ti = tp = 40 μs, I = 30A, Vf. = 1 mm/min)

a)

Rys. 6. Powierzchnia kompozytu DDCC przed obróbką

b)

Rys. 7. Powierzchnia kompozytu DDCC po obróbce ECDM wirującą elektrodą (U=70V, ti = tp = 40 μs, I = 30A, Vf. = 1 mm/min)

Rys. 8. Powierzchnia dna rowka wykonanego w kompozycie DDCC, metodą ECDM wirującą elektrodą (U=70V, ti = tp = 40 μs, I = 30A, Vf. = 1 mm/min), pow. 300x (a), pow. 1000x (b)

oraz wirującą elektrodę w roli narzędzia stanowi efektywną technologię obróbki materiałów kompozytowych z ziarnami diamentowymi. Obróbka ECDM wirującą elektrodą pozwala uzyskać zdecydowanie wyższą wydajność niż proces szlifowania (2,3 mm3/min w przypadku ECDM, wobec ~0,24 mm3/min) [6]. Jednocześnie technologia pozwala uzyskać wysoką dokładność obróbki. Ponadto zaproponowana metoda obróbki nie powoduje znaczących uszkodzeń warstwy wierzchniej – strefa wpływu obróbki na warstwę materiału obrabianego ograniczona jest w zakresie 10–40 μm w głąb materiału. Zaproponowana technologia metoda obróbki kom-

Rys. 9. Powierzchnia krawędzi rowka wykonanego w kompozycie DDCC, metodą ECDM wirującą elektrodą (U=70V, ti = tp = 40μs, I = 30A, Vf. = 1 mm/min)

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 4/2019 l


17

obróbka i cięcie pozytów z ziarnami diamentu może być z powodzeniem stosowana jako obróbka zgrubna, zostawiając naddatek nieprzekraczający 50–100 μm dla potrzeb obróbki wykańczającej (szlifowania). Taka kombinacja dwóch metod obróbki pozwoli na ograniczenie łącznego czasu wytwarzania np.: ostrzy skrawających, ograniczając jednocześnie koszt związany z wykonaniem i zużyciem narzędzi (w szczególności ściernic diamentowych wykorzystywanych do szlifowania kompozytu).

Literatura [1] H. Moriguchi, K. Tsuduki et al.: Sintering behavior and properties of diamond/cemented carbides, International Journal of Refractory Metals & Hard Materials vol. 25 (2007) s. 237–243. [2] M. Rosiński, A. Michalski: WCCo / cBN composites produced by pulse plasma sintering method, Journal of Materials

Science, vol. 47, no 20, pp. 7064-7071, 2012, DOI 10.1007/s10853-012-x. [3] J. Kozak, K.P. Rajurkar: Investigation of Electrochemical Arc machining with Rotating Electrode. Proceedings of the ISEM-10, Magdeburg, 1989, 498-509. [4] H.A-G. El-Hofy: Fundamentals of Machining Processes: Conventional and Nonconventional Processes, wyd. CRC Press 2014, s. 432-434. [5] M. Läuter, H.-J. Trautmann, M. Zybura-Skrabalak, H.-P. Schulze, G. Wollenberg: Structure of process energy sources for time-parallel combined processes, Journal of Materials Processing Technology, Vol 149, Issues 1–3, 10 June 2004, Pages 519–523. [6] G. Skrabalak, B. Staniewicz-Brudnik, E. Bączek, A. Stwora: Investigations on processing of cemented carbides and composite materials (BNDCC and DDCC) by means of grinding and hybrid machining. Innovative Manufacturing

Technology 2014, Mechanik 02/2015 s. 259-267. [7] A.G. Brugemman: Physikalischer Konstanten von Hete-rogenen Substanzen. Ann.Phys. Leipzig, vol.24, 1935.

Przedstawione prace zostały wykonane w ramach projektu PBS1/A5/7/2012, finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju – Program Badań Stosowanych. Analiza mikrostruktury powierzchni kompozytów DDCC po obróbce została wykonana w Centrum Inżynierii Materiałowej i Technik Spiekania, Instytutu Zaawansowanych Technologii Wytwarzania w Krakowie.

Artykuł został opublikowany w czasopiśmie „Mechanik”, 9/2014.

dr inż. Grzegorz Skrabalak mgr inż. Andrzej Stwora Instytut Zaawansowanych Technologii Wytwarzania ul. Wrocławska 37a, 30-011 Kraków

4. Targi INNOFORM® w Bydgoszczy ponownie wskażą kierunki rozwoju branży Międzynarodowe Targi Kooperacyjne Przemysłu Narzędziowo-Przetwórczego INNOFORM® organizowane w Bydgoszczy to fenomen, który nie tylko pomaga wystawcom w promocji produktu i firmy, ale i wpływa korzystnie na rozwój gospodarczy całego regionu. Kolejna, czwarta już edycja odbędzie się w dniach 3–5 marca 2020 roku w Bydgoskim Centrum Targowo-Wystawienniczym. W mieście swoją siedzibę ma 190 przedsiębiorstw zajmujących się przetwórstwem tworzyw sztucznych i ok. 30 narzędziowni. Zatrudnienie znajduje łącznie ok. 4000 osób i wciąż rośnie zapotrzebowanie na nowych wykwalifikowanych pracowników. Wraz z rozwojem firm, rozwijają się targi, które pozwalają na integrację branży, wymianę kontaktów i budowę trwałych relacji. W ciągu trzech dni można pozyskać nowych Klientów – decydentów, którzy przyjeżdżają w konkretnym celu: poznać nowości i wdrożyć je w swojej firmie, uzupełnić park maszynowy i nawiązać współpracę z podwykonawcami. – W zeszłym roku byliśmy na Targach INNOFORM® po raz pierwszy. Po wydarzeniu, w przeciągu 2–3 miesięcy, udało się sfinalizować kontrakty na sprzedaż 3 maszyn! Zalążek tych rozmów pojawił się tu, na targach. Czułem, że ta edycja już od pierwszej minuty trwania będzie bardzo udana.

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 4/2019 l

Nie pomyliłem się – na naszym stoisku cały czas mieliśmy Klientów. Co więcej, spotkaliśmy takie firmy, których nie spotkalibyśmy nigdzie indziej! – podsumował minioną edycję Mateusz Haberski z firmy HIGH TECHNOLOGY MACHINES Sp. z o.o. Wystawcy zaprezentują m.in.: narzędzia specjalne, narzędzia skrawające do obróbki metali, wykrojniki, tłoczniki, technologie, obrabiarki i urządzenia do obróbki ubytkowej, technologie, urządzenia i materiały do inżynierii odwrotnej, przyrządy i urządzenia kontrolno-pomiarowe, wyposażenie zakładów przemysłowych i wiele więcej. W programie towarzyszącym nie mogło zabraknąć cieszącej się niesłabnącą popularnością Giełdy Kooperacyjnej, która jest idealnym miejscem do podejmowania biznesowych rozmów i ich finalizacji. Każdego roku zainteresowanie budzi Strefa Usług Przemysłowych – specjalnie przygotowana część wystawy, skierowana do firm

podwykonawczych, chcących pozyskać nowe zlecenia. W młodości siła, dlatego program targów tworzony jest również z myślą o tych, którzy swoją przygodę z branżą dopiero rozpoczynają. – Zawsze chętnie witamy uczniów i studentów, którzy na targach mają możliwość poznania nowych technologii i zobaczenia w praktyce tego, o czym uczą się w trakcie zajęć szkolnych. Z czasem osoby te same znajdą zatrudnienie w firmach wystawców lub może założą własną działalność. Od pierwszej edycji targów organizujemy zwiedzanie wystawy ze specjalistami, którzy pokazują uczniom najciekawsze maszyny i dzielą się wiedzą – powiedziała Beata Łoś, Komisarz Targów. Tak jak region kujawsko-pomorski jest liderem w wytwarzaniu narzędzi na światową skalę, tak Międzynarodowe Targi Kooperacji Przemysłu Narzędziowo-Przetwórczego INNOFORM® są numerem jeden wśród wydarzeń o tej tematyce w naszym kraju. Już dziś warto zarezerwować sobie czas, aby w marcu odwiedzić Bydgoszcz. Więcej informacji na www.innoform.pl. www.innoform.pl


18

obróbka i cięcie

BRATR obróbka kompozytów BRATR do kompaktowe 5-osiowe centrum obróbcze CNC o konstrukcji bramowej specjalnie zaprojektowane do powierzchniowej obróbki tworzyw sztucznych i kompozytów, odcinania materiałów termoformowanych oraz kształtowanie materiałów typu honey comb i styropianu. Model BRATR uzupełnia tym samym ofertę czeskiej marki BRAY (www.bray-cnc. com) o 25-letnim doświadczeniu w produkcji obrabiarek. Modułowa konstrukcja maszyny jej wszechstronność, parametry techniczne, szeroka gama akcesoriów i wyposażenia pozwala na pokrycie bardzo szerokiego spektrum produkcji i umożliwia bardzo szybkie dostosowanie maszyny do różnego rodzaju produktów.

PARAMETRY TECHNICZNE Przesuw w osi X

mm

1 500–30 000

Przesuw w osi Y

mm

3 000–5 000

Przesuw w osi Z

mm

600–2 500

Max prędkość w osi X/Y/Z

m/min

80/80/80

Max przyspieszenie

m/s

5

Dokładność pozycjonowania XYZ

mm/m

±0,02 (±0,035)

Dokładność powtarzania

mm

±0,01 (±0,015)

Głowica 2-osiowa (obroty/moc)

rpm/kW

0–24 000/12–22

2

Unikalne rozwiązania do obróbki „na sucho” w 5 osiach Aby usunąć cząsteczki kurzu i małe lekkie wióry, urządzenie można wyposażyć w innowacyjną osłonę ssącą. Dzięki zastosowaniu automatycznie przesuwanego kołnierza teleskopowego rozwiązanie to umożliwia automatyczną wymianę narzędzi z magazynu. Na żądanie może być dostarczona maszyna ze standardowym lub ssącym urządzeniem ATEX, które jest automatycznie kontrolowane przez system sterowania. Maszyna może zostać wyposażona w elastyczny teleskopowy dach, tworząc zamkniętą strefę obróbczą. kowej jest w pełni automatyczne i może być łączone z automatyczną wymianą w przypadku konwencjonalnych narzędzi. Kalibracja położenia ostrza odbywa się za pomocą sondy laserowej.

Obróbka ultradźwiękowa Do wysokiej jakości 5-osiowego kształtowania materiałów typu honey comb oferujemy innowacyjną głowicę ultradźwiękową z dwustronnymi ostrzami lub tarczą tnącą. Mocowanie głowicy ultradźwię-

Szeroki zakres opcji dostosowanych do potrzeb BRATR daje szerokie możliwości konfiguracji nie tylko wielkości przestrzeni obróbczej maszyny, ale również wyboru markowych sterowań Heidenhain lub Siemens, głowic i wrzecion obróbczych i również rodzaju stołu obróbczego (Pertinax, aluminium, stal, stół podciśnieniowy). Maszyna może zostać doposażona w magazyn narzędzi, sondy pomiarowe, a dla uzyskania większej dokładności w liniały do pomiaru bezpośredniego. Partner handlowy marki BRAY w Polsce. artykuł sponsorowany

INTEC Sp. z o.o. tel. 32 307 48 28 biuro@eintec.pl, www.eintec.pl

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 4/2019 l


obróbka i cięcie

Systemy cięcia CNC firmy CMS Polska Sp. z o.o. Cięcie wodą Od wielu lat CMS rozwija dział, w którym produkowane są urządzenia do cięcia wodą. Urządzenia te są wyposażone w automatyczny załadunek i rozładunek i mogą być umieszczone w linii procesu termoformowania. Głowica do cięcia wodą umieszczona jest na robocie antropomorficznym i na życzenie klienta jest wspomagana przez elektrowrzeciono bądź wrzeciono pneumatyczne.

5-osiowe centra obróbcze HIGH SPEED Centrum z ruchomym mostem, specjalnie zaprojektowane do tzw. obróbki szybkościowej „high speed” do cięcia termo-

plastów, kompozytów itd. zapewniające wyjątkową mobilność i elastyczność. Maszyny są wyposażone w elektrowrzeciona produkcji CMS o prędkości obrotowej do 40 000 obr./min i mocy od 8 kW do 40 kW. Na życzenie klienta maszyny mogą być wyprodukowane ze stołami jeżdżącymi przód/tył bądź ze stołem obrotowym. Specjalna konsola na wyposażeniu maszyn nie

wymaga standardowych systemów CAD/ CAM!

Systemy specjalne CMS posiada doświadczenie w produkcji maszyn CNC, które odznaczają się specjalnymi rozwiązaniami jak: l specjalne stoły blokujące, które ustawiają się według kształtu detalu do części wielkogabarytowych; l cięcie ultradźwiękowe do wszelkiego rodzaju wypełniaczy komórkowych; l systemy hybrydowe łączące frezarkę CNC z systemem water-jet. CMS to kilkudziesięcioletnie doświadczenie w produkcji, mnóstwo opatentowanych rozwiązań i jeszcze więcej zadowolonych klientów. ■ reklama

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 4/2019 l

19


20

obróbka i cięcie

RT-F 1400 nowy design, nowa technologia, zaprezentowane na targach światowych K’2019 30 lat doświadczeń l Know-how l Zapał l Entuzjazm l Sukces Kompaktowy, szybki i o zwartej konstrukcji, nowy RT-F 1400 został zaprezentowany na K 2019 w Düsseldorfie. W swojej unikalnej koncepcji, ze stołem obrotowym jako osią C i dużymi przesuwami w osiach X/Y/Z, ta maszyna z ponad 30-letnim stażem stała się popularną 5-osiową frezarką do obróbki elementów z drewna/tworzyw sztucznych/kompozytów.

Nowe właściwości: l SIEMENS 840 D/SL sterowanie; l Elektrowrzeciono HITECO 9 KW, 36 000 1/min i 12-pozycyjny magazyn narzędzi; l Pakiet ochrony przed hałasem i pyłem; l Oś C, zakres pracy ±1080°; l Wystarczy: ustawić/włączyć/pracować. Zalety: l doskonała do obróbki elementów z tworzyw sztucznych, kompozytów, modeli; l obróbka elementów o max. wymiarach 1000 x 800 x 400 mm; l zakresy pracy osi X/Y/Z 1400/1000/700 mm; l najwyższa precyzja przy maks. przyspieszeniach i prędkościach do ± 0,03 mm; l zajmująca mało miejsca, (mniejsze, poręczne wymiary) solidna konstrukcja maszyny. W razie pytań i informacji jesteśmy do Państwa dyspozycji.

Doświadczenia przy frezowaniu materiałów kompozytowych, walka z powstałym pyłem zawieszonym postawiły dostawcę obrabiarek CNC, firmę HG-Grimme, w nowym świetle. HG-Grimme rozprawia się z pyłem zawieszonym i wiórami w kombinacji potrójnej. Etap pierwszy: umieszczony chwyt powietrza odsysa pył i wióry z okolicy narzędzia i transportuje dalej przewodem wzdłuż agregatu frezarskiego. Etap drugi: rzędy otworów systemu odciągu umieszczone w/na korpusach przyrządów obróbkowych i usytuowane w okolicach krawędzi obrabianego detalu powodują, że widz ma wrażenie „obróbki bezwiórowej“. Wióry znikają sprzed oczu. Pył i wióry kierowane są w dół do kolektorów zbiorczych. Etap trzeci: króćce podciśnieniowej instalacji odciągowej usuwają zapylone powietrze z kabiny lub pomieszczenia, w którym pracuje obrabiarka.

Te 3 etapy odwiórowania powodują, że długość życia prowadnic, łożysk i wszystkich elementów ruchomych wydłuża się znacznie. Nie należy zapomnieć o korzyściach dla zdrowia personelu pracującego w pobliżu maszyny. Do osiągnięcia celu, jakim jest „czyste frezowanie“, opracowano nową, specjalną kategorię narzędzi. Charakteryzuje je większy nacisk jednostkowy ostrza narzędzia na materiał. Nie powstaje znany nam wiór, ale – „drobny okruch“. Wysokie prędkości posuwu, wysokie prędkości obrotowe wrzecion, wysoka precyzja nadążania narzędzia za konturem wyznaczonym przez program. Czy maszyny spod znaku HG-Grimme podołają temu zadaniu? Kilkudziesięcioletnie doświadczenie firmy i wspaniałe referencje dowodzą, że TAK! Tak czy inaczej, walka idzie nie tylko o dobrej jakości powierzchnię, ale o precyzję i czas obróbki! HG Grimme ze swoim doświadczeniem w zakresie dostarczania kompletnych systemów jawi się interesującym partnerem w interesach.

HG-Grimme w Polsce: (obróbka modeli, tworzyw sztucznych, kompozytów, aluminium) j.mierzejewski@hg-grimme.de www.hg-grimme.de tel. 22 822 33 77 tel. kom. 601 222 904 Entro Holdings Sp. z o.o. (obróbka elementów termoformowanych) Agnieszka Skłodowska Al. Wilanowska 91 m.6 02-765 Warszawa tel. 22 642 23 74 tel. kom. 604 255 258 biuro@entro.com.pl www.entro.com.pl

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 4/2019 l


obróbka i cięcie

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 4/2019 l

21


22

druk 3D

Numeryczno-eksperymentalna analiza stanu naprężenia skrzydła samolotu bezzałogowego wykonanego metodą druku przestrzennego

Badania skrzydła samolotu bezzałogowego wykonanego metodą druku 3D ŁUKASZ ŚWIĘCH, ARKADIUSZ BEDNARZ

W pracy przedstawiono rezultaty prób statycznych pierwszorzędowej struktury nośnej samolotu bezzałogowego TWISST-ter wykonanego w technologii addytywnej FFF zwanej popularnie drukiem przestrzennym. Zasadniczy cel badań stanowiło określenie poziomu wytężenia struktury, umożliwiając ocenę rozważanego rozwiązania konstrukcyjnego pod względem wytrzymałościowym. Z uwagi na fakt, iż właściwości elementów wytworzonych w technologii druku 3D na chwilę obecną pozostają słabo poznane, podjęte prace obejmowały zarówno niszczące badania doświadczalne, jak i analizy numeryczne w ujęciu MES. W trakcie badań eksperymentalnych wykorzystano system pomiaru deformacji ARAMIS działający w oparciu o metodę trójwymiarowej, cyfrowej korelacji obrazu. Uzyskane w efekcie rezultaty umożliwiły kalibrację modelu numerycznego, opartą na poszukiwaniu zbieżności z wyznaczonymi eksperymentalnie polami przemieszczeń. Podejście takie zapewniło poprawność wyznaczonych numerycznie rozkładów naprężenia. Na podstawie wyników badań wprowadzono wymagane poprawki konstrukcyjne oraz sformułowano wnioski o charakterze ogólnym, dotyczące badań numerycznych struktur wytwarzanych z wykorzystaniem druku przestrzennego. Obecnie obserwować można znaczny wzrost zainteresowania bezzałogowymi systemami latającymi (BSL, ang. UAV). Statki powietrzne tego typu znajdują zastosowanie w coraz większym zakresie zadań lotniczych, poczynając od misji patrolowych, poprzez zadania fotogrametryczne na zastosowaniach bojowych kończąc. Najprostsze konstrukcje wykonywane są metodami modelarskimi z wykorzystaniem, jako głównego budulca, balsy lub styroduru. Bardziej zaawansowane wytwarzane są jako struktury kompozytowe zbrojone włóknami szklanymi lub węglowymi. Pomimo niewątpliwych zalet materiałów kompozytowych, z których na pierwszy plan wysuwa się korzystny stosunek wytrzymałościowo-masowy wyrażony poprzez parametr zwany wytrzymałością właściwą, oraz stosunkową prostotę wytwarzania skomplikowanych geometrycznie konstrukcji, wspomnieć należy o wysokim koszcie materiału oraz potrzebnego do wytworzenia oprzyrządowania. W pracy przedstawiono fragment badań związany z zastosowaniem alternatywnej, do wyżej wspomnianych, technologii wykonawczej małych bezzałogowych aparatów latających.

W ostatnim czasie obserwować można przyspieszony rozwój tych technologii wytwórczych, objawiający się wieloma metodami różniącymi się zarówno wykorzystywanymi materiałami budulcowymi, jak i sposobem ich przetwarzania. Do najbardziej rozpowszechnionych zaliczyć należy metody: osadzania topionego materiału (FFF, FDM) oraz metody stereolitograficzne (SLA, SL). Niezależnie od wersji, technologie te pozwalają na wykonywanie skomplikowanych geometrycznie struktur stosunkowo niskim kosztem.

W takim przypadku możliwym staje się produkcja statków powietrznych, nawet w jednostkowych egzemplarzach bez potrzeby wytwarzania kosztownego oprzyrządowania.

Technologia addytywna FFF Spośród wielu metod wspomnianych powyżej obecnie najbardziej rozpowszechnioną jest metoda osadzania topionego materiału (FFF – Fused Filament Fabrication). Technologia została opracowana w 2005 roku przez doktora Adriana Bowyera z Uniwersytetu Bath w Wielkiej Brytanii i udostępniona w ramach otwartej licencji jako projekt RepRap. Możliwe do wykorzystania materiały budulcowe obejmują szerokie spektrum, począwszy od inżynierskich polimerów takich jak: ABS, PC, PET, HIPS czy nylon poprzez materiały biodegradowalne np. PLA, na kompozytach, np. ABS-PC lub PLA z włóknami węglowymi kończąc. Idea tej technologii oparta jest na tworzeniu obiektów „warstwa po warstwie”, wykorzystując w tym celu roztopiony plastyk przeciskany przez dyszę (rys. 1). Stosowane dysze mają średnice od 0,2 mm do powyżej 1 mm. Dobór tego elementu determinuje możliwą do uzyskania dokładność wymiarową oraz wpływa na czas budowy modelu.

Rys.1. Przykład budowy modelu w technologii FFF

Rys. 2. Przykład modelu zawierającego jeden obwód oraz wypełnienie plastra miodu o gęstości 10%

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 4/2019 l


druk 3D

Badania doświadczalne Opis badanej konstrukcji W ramach badań przeprowadzono próbę statyczną centropłata skrzydła samolotu bezzałogowego TWISST-ter (rys. 5). Samolot w układzie klasycznym o masie 2,5 kg oraz rozpiętości skrzydeł równej 2 m, powstaje jako próba weryfikacji możliwości wykorzystania druku przestrzennego do wytwarzania małych statków powietrznych. Struktura nośna samolotu w całości wykonana została jako wydruk 3D o grubości pokrycia równej 0,94 mm. Skrzydło wykonano jako wolnonośną, półskorupową strukturę dwudźwigarową wzmacnianą dodatkowo podłużnicami w obrębie kesonu przedniego oraz głównego (rys. 6a). Połączenie centropłata z łącznikiem kadłubowym zrealizowano poprzez zastosowanie trzech rurek węglowych o średnicy 5 mm (rys. 6b). Obciążenie Zasadniczym obciążeniem przekroju skrzydła jest siła tnąca (T), moment gnący (Mg) oraz moment skręcający (Ms) powstały na skutek działania sił aerodynamicznych będących wynikiem opływu powietrza wokół powierzchni nośnych w trakcie lotu. Rysunek 7 przedstawia rozkład wspomnianych parametrów obciążenia uzyskany na drodze obliczeń projektowych, z wykorzystaniem metody Shrenka [2, 3].

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 4/2019 l

Rys. 3. 4. Rezultaty próby rozciągania próbek wykonanych z ABS

Rys. 5. Samolot bezzałogowy TWISST-ter

Rys. 6. Struktura nośna badanego skrzydła

Rzeczywisty sposób obciążenia w postaci ciągłego rozkładu ciśnień jest kłopotliwy w realizacji technicznej prób statycznych, dlatego też w praktyce stosuje się uproszczony rozkład sił działających na skrzydło. W trakcie omawianych badań doświadczalnych przeprowadzono próbę statyczną środkowej części skrzydła – segmentu w obrębie klapy, sprowadzając obciążenie do siły normalnej działającej w przekroju utożsamianym ze średnią cięciwą aerodynamiczną. Uzyskany w ten sposób rozkład obciążenia zapewnia wystąpienie rzeczywistych wartości siły tnącej oraz momentu gnącego w newralgicznym, przykadłubowym przekroju. Na rysunku 7 przedstawiono porów-

nanie rzeczywistego i realizowanego doświadczalnie rozkładu obciążenia skrzydła. Na potrzeby prób fragment skrzydła zamocowano poprzez trzy śruby do drewnianej podstawy, symulując w ten sposób montaż struktury w kadłubie samolotu. Obciążenie przykładano do powierzchni skrzydła w sposób grawitacyjny, zapewniający niezależność działającej siły od deformacji struktury (sterowanie siłą). Model obciążenia oraz realizację techniczną stanowiska prezentują rysunki 8 i 9. Eksperymentalne pomiary deformacji – metoda Cyfrowej Korelacji Obrazu Rejestracji deformacji powierzchni skrzydła w trakcie badań eksperymentalnych dokonywano przy pomocy skanera

Rys. 7. Rozkład obciążenia wzdłuż rozpiętości skrzydła

t

Do wytworzenia obiektu niezbędna jest jego cyfrowa reprezentacja w postaci modelu numerycznego, który poddawany jest podziałowi na kolejne warstwy wydruku z wykorzystaniem specjalnego oprogramowania. Podzielony model składa się z dwóch stref (rys. 2). Zasadniczą częścią są obwody wykorzystywane do odtworzenia żądanego kształtu elementu, przestrzeń pomiędzy nimi wypełniana jest natomiast wedle wyboru użytkownika determinującego zarówno jego gęstość, jak i kształt (ruszt, plaster miodu itp.). Parametry te decydują zarówno o sztywności, wytrzymałości, jak i masie produkowanego elementu. Właściwości mechaniczne obiektów wykonywanych w tej technologii silnie zależą od przyjętego sposobu podziału elementu, jak i jego usytuowania w trakcie obróbki. Rysunek 3 przedstawia rezultaty prób rozciągania trzech rodzajów próbek wykonanych z materiału ABS (kształt próbki, jak na rys. 2). Próbka oznaczona jako A wykonywana była leżąc płasko na stole drukarki i wypełniana była naprzemiennie warstwami równoległymi i prostopadłymi do swojej długości. Próbka B wypełniana była warstwami obróconymi o kąt 45° w stosunku do długości próbki. Próbka C natomiast powstawała w kierunku pionowym.

23


24

druk 3D

optycznego ARAMIS firmy GOM mbH, wykorzystującego w swoim działaniu trójwymiarową wersję metody cyfrowej korelacji obrazu (Digital Image Correlation – DIC). Jest to optyczno-numeryczna metoda umożliwiająca dokonywanie przestrzennych pomiarów deformacji struktury o dowolnej geometrii [1, 4]. Pomiar polega na cyfrowej transformacji zarejestrowanego obrazu opartej na śledzeniu zmian rozkładu pikseli na wykonywanych fotografiach. Urządzenie składa się z dwóch kamer cyfrowych połączonych z komputerem klasy PC, tworząc wraz z oprogramowaniem system pomiarowy. Przed badaniem przeprowadza się kalibrację urządzenia definiującą przestrzeń pomiarową. Na potrzeby badań dobrano pole pomiarowe o wymiarach 450x450 mm. Pomiar polega na wykonaniu serii zdjęć odpowiednio przygotowanego elementu, w trakcie jego obciążania. Przygotowanie obiektu polega na pokryciu jego powierzchni białą farbą, na którą nanieść należy stochastyczny wzór czarnych plamek. Po wykonaniu zdjęć system dzieli powierzchnię badanego obiektu na szereg podobszarów tworzących tzw. siatkę odkształceniową (rys. 10). W obrębie każdego oczka siatki znajduje się niepowtarzalny układ plamek, co stanowi podstawę identyfikacji jego położenia w przyjętym układzie współrzędnych. Zdjęcia z obydwu kamer porównywane są ze sobą w celu nadania trzeciego wymiaru wykonanym fotografiom. Pierwszy zestaw zdjęć przyjmowany jest jako stan referencyjny. Odkształcenia powierzchni badanego elementu powodują zmianę konfiguracji plamek w każdym oczku siatki i przez porównanie ich z początkowym stanem referencyjnym obliczane są wartości przemieszczeń. Precyzja pomiaru jest uzależniona od dokładności przeprowadzenia procedury kalibracyjnej, ewentualnych błędów w dopasowaniu poszczególnych zdjęć w procedurach korelacji obrazu (niedokładnościami samej metody), jak również jakością naniesionego wzoru plamek. Ostatecznie, dokładność pomiaru przemieszczeń zawiera się w granicach od 1μm do 5 μm. Wynikiem pomiarów staje się ilościowa informacja o wielkości przemieszczenia rejestrowanego obszaru powierzchni w trakcie badań. Forma prezentacji wyników w postaci barwnych map z przyporządkowaną skalą jest analogiczna do prezentacji wyników analiz MES i pozwala na bezpośrednie porównywanie tożsamych rezultatów.

Rys. 8. Model skrzydła i stanowiska badawczego

Rys. 9. Stanowisko badawcze oraz sposób obciążenia

Rys. 10. Podział powierzchni skrzydła na siatkę odkształceniową

Analiza numeryczna Model numeryczny Model skrzydła przygotowany wstępnie do wydruku 3D został zaimportowany do

Rys. 11. Przykładowy wynik pomiaru systemem ARAMIS – przemieszczenia wzdłuż rozpiętości skrzydła

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 4/2019 l


25

druk 3D

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 4/2019 l

Rys. 12. Model numeryczny skrzydła wykorzystany w analizie numerycznej

Rys.13. Model dyskretny składający się z ponad 155000 elementów typu TET-10 Tabela 1. Stałe materiałowe Nazwa materiału

Elementy

Moduł Younga

Współczynnik Poissona

MPa

-

ABS (Akrylo-Butiadieno-Styren)

Skrzydło, łącznik

1300

0,35

Węgiel

Rurki mocujące skrzydło

100000

0,1

Rys. 14. Przemieszczenia kierunkowe (Z) [mm] z analizy numerycznej

Rozkład naprężeń Rozkład maksymalnych naprężeń zredukowanych pozwoli określić newralgiczne punkty proponowanej konstrukcji. Założenie mówiące o tym, że podobieństwo odkształceń z różnych analiz odpowiada podobieństwu naprężeń, pozwala na określenie naprężeń w skrzydle. Największe wytężenie materiału można zaobserwować w okolicach kontaktu

skrzydła z rurkami węglowymi. Jest to związane z naciskiem podczas zginania konstrukcji, będącym wynikiem różnic w sztywności poszczególnych elementów. Maksymalne naprężenia zredukowane w wysokości 48 MPa (rys. 16 i 17). Informacja ta może sugerować o konieczności edycji geometrii skrzydła w tym miejscu. Na obrazie naprężeń na całym skrzydle, wyraźnie odznaczają się miejsca wystąpie-

t

programu Ansys Workbench 14.5 i przystosowany do analizy numerycznej. Wygląd modelu przedstawiono na rysunku 12. Bazując na modelu geometrycznym centropłata, utworzono szereg modeli dyskretnych składających się z różnej liczby elementów skończonych oraz różnych wartości sił obciążających układ. Optymalny rozmiar elementów skończonych wykorzystanych do budowy modelu dyskretnego został określony we wczesnym etapie przygotowania analizy. Z założenia, model został zbudowany w oparciu o elementy typu TET-10, które posiadają kwadratowe funkcje kształtu (rys. 13). Przygotowanie analizy Modele materiałów wykorzystanych do przygotowania analizy zostały zdefiniowane jako liniowo-sprężyste. Stałe materiałowe niezbędne do obliczeń zdefiniowano w oparciu o dane uzyskane eksperymentalnie i zostały zestawione w tabeli 1. W analizie pominięto efekty termiczne. Układ został obciążony poprzez element sześcienny przyłożony w miejscu przecięcia się żebra i głównego dźwigara skrzydła. Siła równa 85 [N] odpowiadała eksperymentalnym warunkom obciążenia. Kontakty pomiędzy elementami struktury nośnej, rurkami węglowymi, zostały zdefiniowane jako Frictional ze współczynnikiem tarcia 0,15. Takie kontakty pozwalają odzwierciedlać rzeczywiste zmiany zachodzące w modelu eksperymentalnym (wysunięcie się rurek węglowych ze skrzydła – co zostało omówione we wcześniejszym rozdziale). Ostatnim krokiem przygotowania analizy było zablokowanie wszystkich stopni swobody w łączniku. Ugięcie skrzydła Głównym źródłem informacji odnośnie zbieżności wyników z analizy numerycznej i eksperymentalnej jest maksymalne ugięcie skrzydła w trakcie próby, a także postać tej deformacji. Porównanie to zostanie przedstawione dalej. Maksymalne przemieszczenia na kierunku osi Z znajdują się na końcu skrzydła i dla przypadku obciążenia 85 [N], przemieszczenie to wynosi blisko 60 [mm] (rys. 14). Głównym czynnikiem wpływającym na wartość maksymalnego przemieszczenia jest moduł Younga dla materiału rurek węglowych i samego skrzydła. Dodatkowo, zaobserwować można rozwarcie powstające pomiędzy łącznikiem i skrzydłem. Wynika ono z wysuwania się rurek węglowych ze skrzydła. Kształt ugięcia skrzydła, dla zdefiniowanego wstępnie włókna na górnej powierzchni modelu, został przedstawiony na rysunku 15. Rozkład przemieszczeń przedstawiony na rysunku 15 posłużył do porównania wyników obu analiz, które zostało omówione w kolejnym rozdziale.


26

druk 3D

nia umocnień wewnętrznych konstrukcji (żebra). Podobne wnioski, odnośnie wystąpienia maksymalnych naprężeń zredukowanych, można ułożyć w oparciu o widok z rysunku 18. Przedstawiono na nim naprężenia zredukowane w łączniku. Maksymalna wartość, prawie 23 MPa, odpowiada miejscu wystąpienia rurek węglowych łączących obie części konstrukcji. Uzyskane maksymalne naprężenia zredukowane dla skrzydła są efektem lokalnym związanym z kontaktem pomiędzy skrzydłem a rurkami (w analizie rurka ma idealnie ostrą krawędź – w rzeczywistości występuje zaokrąglenie). W pozostałych rejonach zwiększonych naprężeń, naprężenia nie przekraczają 40 MPa.

Rys. 15. Kształt ugięcia skrzydła [mm] przy obciążeniu 85 N – przemieszczenia kierunkowe (Z)

Porównanie wyników badań Najważniejszym pomiarem wpływającym na ocenę wyników obu analiz jest rozkład przemieszczeń (ugięcia skrzydła). Maksymalne ugięcie skrzydła, odnotowane w analizie eksperymentalnej, dla obciążenia 85 N, wynosi 66,85 mm (rys. 19). W przypadku analizy numerycznej, maksymalne przemieszczenia kierunkowe (Z) wynoszą 59,4 mm (rys. 20). Kształt rozkładu obu ugięć jest podobny. Różnica w analizach wynika bezpośrednio z dokładności zamocowania modelu rzeczywistego w trakcie próby eksperymentalnej. W trakcie próby zaobserwowano podniesienie się łącznika (obrót względem linii styku łącznika ze skrzydłem). Było to spowodowane metodą zamocowania stanowiska pomiarowego. Minimalny obrót łącznika spowodował obrót całej konstrukcji, a w konsekwencji wpłynął na wzrost ugięcia skrzydła. W przypadku analizy numerycznej, nie założono idealnego zamocowania łącznika, nie występuje obrót tego elementu, przez co wyniki winny być mniejsze. Różnicę w wynikach można zaobserwować na rysunku 21, przedstawiającym rozkład ugięcia skrzydła wzdłuż jego długości. W oparciu o powyższe można stwierdzić, że wyniki są zbieżne. Różnice wynikają również z zamocowania skrzydła w trakcie badań doświadczalnych oraz z niedokładnie odtworzonych warunków brzegowych w analizie MES. Dodatkową informacją o poprawności przeprowadzenia eksperymentu i przygotowania analizy numerycznej jest fakt, iż oba modele zachowały się w sposób podobny oraz nie uległy uszkodzeniu.

Podsumowanie Uzyskana zbieżność rezultatów badań eksperymentalnych oraz wyników analiz numerycznych dowodzi poprawności

Rys. 16. Rozkład naprężeń zredukowanych [MPa] na powierzchni skrzydła

Rys. 17. Rozkład naprężeń zredukowanych [MPa] w okolicach miejsca zamocowania skrzydła

Rys. 18. Rozkład naprężeń zredukowanych [MPa] w łączniku

przyjętego modelu MES. Z uwagi na fakt, iż badania prowadzone były w zakresie sprężystej pracy materiału, liniowej zależności pomiędzy odkształceniami i naprężeniami, wnioskować można również poprawność otrzymanych numerycznie rozkładów wytężenia. Poniżej zaprezentowano newralgiczne obszary konstrukcji wykazujące maksymalne wartości koncentracji naprężeń. Rysunki 22 i 23 pokazują miejsce wystąpienia maksymalnych naprężeń zredukowanych

Rys. 19. Pole powierzchni ugięcia skrzydła uzyskane metodą eksperymentalną – obciążenie 85 N

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 4/2019 l


druk 3D

Rys. 20. Pole powierzchni ugięcia skrzydła [mm] uzyskane metodą numeryczną – obciążenie 85 N

Rys. 21. Ugięcie skrzydła wzdłuż przekroju głównego dźwigara – obciążenie 85 N

27

w skrzydle. Skala na rysunkach została tak dobrana, że wszystko co przekracza 40 MPa (wytrzymałość na rozciąganie dla materiału skrzydła – ABS) zostało oznaczone kolorem czerwonym. Po dokładniejszej obserwacji można stwierdzić, że lokalne spiętrzenie naprężeń do 48 MPa występuje w jednym miejscu, gdzie bryła ma prosty. Może to świadczyć o błędzie modelu geometrycznego. Wynik ten można uznać za błąd numeryczny wynikający z przygotowania modelu numerycznego. Wspomnieć należy również, iż poziom obciążenia realizowany w trakcie badań eksperymentalnych odpowiada stanowi lotu samolotu przy współczynniku przeciążenia równym około 7. Wartość taka możliwa jest do uzyskania albo w bardzo burzliwej atmosferze, albo w trakcie wykonywania skomplikowanych figur akrobacji wyższej. W przypadku małych samolotów bezzałogowych wykorzystywanych w celach patrolowych sytuacja taka jest mało prawdopodobna, a rzeczywisty współczynnik przeciążenia nie wzrośnie powyżej poziomu 4. Uznać zatem należy, iż analizowana konstrukcja w sposób wystarczający spełnia warunki bezpieczeństwa eksploatacji. Dowiedziona w trakcie badań dostateczna wytrzymałość statyczna nie wyczerpuje tematyki badawczej, ponieważ w trakcie eksploatacji struktura nośna statku powietrznego poddawana jest obciążeniom zmiennym w czasie. Celowym jest zatem określenie na drodze badań doświadczalnych również trwałości zmęczeniowej konstrukcji wytwarzanych w technologii druku przestrzennego.

Literatura

Rys. 22. Miejsce wystąpienia maksymalnym naprężeń zredukowanych [MPa] w skrzydle – obciążenie 85 N

[1] ARAMIS: User manual, GOM mbH, 2010. [2] O. Schrenk: A simple approximation method for obtaining the spanwise lift distribution. NACA TM 948, 1940. [3] A. Skarbiński, W. Stafiej: Projektowanie i konstrukcja szybowców, WKŁ, 1965. [4] A. Zafar: Digital image correlation. CEE 498KUC – Experimental methods in Structures and Materials, 2008.

Artykuł został opublikowany w czasopiśmie „Symulacja”, kwiecień 2016.

Rys. 23. Widok przekroju w miejscu wystąpienia maksymalnych naprężeń zredukowanych [MPa] w skrzydle – obciążenie 85 N

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 4/2019 l

dr inż. Łukasz święch dr inż. Arkadiusz Bednarz Katedra Samolotów i Silników Lotniczych Politechnika Rzeszowska, Rzeszów


28

druk 3D

Materiały w przemysłowym druku 3D Druk 3D jest coraz bardziej popularnym tematem. To uniwersalne narzędzie wytwórcze, które już obecnie w znaczący sposób wpływa na tradycyjną produkcję, przede wszystkim obniżając jej koszty. Jedną z firm na polskim rynku, która oferuje przemysłowe drukarki pracujące w technologii FDM/FFF, jest Omni3D z Poznania.

Zalety i wady drukowania 3D

Przemysłowy druk 3D

Drukowanie 3D, jak wszystkie technologie, ma zarówno swoje zalety, jak i wady. Do jego niezaprzeczalnych zalet trzeba zaliczyć: 1. krótki czas wykonywania modelu; 2. niski koszt drukowania obiektu; 3. dużą opłacalność drukowania niskich serii czy nawet pojedynczych egzemplarzy; 4. możliwość łatwego i szybkiego nanoszenia zmian; 5. możliwość personalizacji; 6. możliwość tworzenia skomplikowanych geometrii. Z kolei do wad druku 3D można zaliczyć: 1. jakość wykonania obiektu, która odbiega od jakości, jakie zapewniają formowanie wtryskowe, frezowanie CNC, toczenie czy odlewnictwo; 2. czas drukowania dużych ilości sztuk.

Zapewne trudności może sprawić wybór właściwej drukarki przemysłowej. Największym zainteresowaniem cieszą się maszyny, które zapewniają precyzję oraz powtarzalność wydruku. Ważny jest również duży obszar roboczy drukarki, dzięki czemu można ją będzie wykorzystywać w przemyśle do prototypowania, tworzenia narzędzi, druku gotowych, dużych elementów czy wreszcie produkcji nisko-

seryjnej. W tym roku na rynku pojawiły się dwa nowe modele drukarek spełniających powyższe warunki Omni500 LITE oraz Factory 2.0 NET, które spotkały się z dobrymi opiniami pierwszych użytkowników. Drukarka Omni500 LITE to przykład optymalnego rozwiązania dla podmiotów, które chcą korzystać z profesjonalnego przemysłowego druku 3D przy zachowaniu prostej i szybkiej obsługi. Pole robocze urządzenia to 460 x 460 x 600 mm. Można zatem drukować duże elementy lub kilka mniejszych jednocześnie. Posiada wszystkie cechy przemysłowej drukarki 3D: l dwa ekstrudery z czujnikiem obecności materiału – maszyna została wyposażona w dwie głowice umożliwiające drukowanie z dwóch materiałów podczas jednego wydruku, głównego i podporowego;

Wykorzystanie druku 3D Druk 3D w przemyśle stosuje się głównie do tworzenia prototypów części do maszyn i urządzeń. Znajduje również zastosowanie w tworzeniu narzędzi produkcyjnych. Prototypy 3D znacznie lepiej przedstawiają pomysły projektantów niż wydruki płaskich rysunków. Trójwymiarowe wydruki świetnie sprawdzają się również w przypadku tworzenia krótkich serii produktowych. Ma zastosowanie w branży motoryzacyjnej, lotniczej i AGD. Coraz częściej mowa jest o jego wykorzystaniu także w przemyśle kosmicznym. Drukowanie przestrzennych modeli ma nieocenione znaczenie dla medycyny i stomatologii. Pozwala m.in. na tworzenie implantów, ortez i protez. Coraz większą rolę odgrywa także w branży odzieżowej i obuwniczej.

Drukarka przemysłowa Omni500 LITE Źródło: Omni3D

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 4/2019 l


druk 3D przez dedykowaną stronę internetową – drukarka może być zarządzana przez dedykowaną stronę internetową, dzięki czemu w łatwy sposób możesz rozpocząć wydruk i kontrolować jego postęp zdalnie; l zarządzanie farmą drukarek – możliwość budowania i zdalnego zarządzania zespołem drukarek; l automatyczna kalibracja platformy – pozwala na optymalizację pracy i realizację wydruków 3D szybko, sprawnie i efektywnie. Jednak, żeby przemysłowa drukarka 3D działała niezawodnie, a wydruki wychodziły idealnie, powinna ona posiadać szeroki wybór profesjonalnych materiałów termoplastycznych, tj. filamentów. – Realizacja precyzyjnych wydruków o wielkości powyżej 200 x 200 x 200 mm z popularnego ABS-u, CF-PA i innych zaawansowanych materiałów jest możliwa tylko w drukarkach z zamkniętą i grzaną komorą. Producent powinien dostarczać zdefiniowane ustawienia druku dla każdego materiału – tylko wtedy klient ma pewność, że materiał był przetestowany przez technologów druku 3D – tłumaczy Paweł Robak, prezes Zarządu Omni3D. W zastosowaniach przemysłowych najbardziej popularnym materiałem jest ABS, który cechują: odporność na zginanie oraz rozciąganie, a także ogólne dobre właściwości izolacyjne. Ze względu na jego właściwości może być wykorzystywany, od tworzenia prototypów, oprzyrządowania, aż do części zamiennych i finalnych. Wśród filamentów z powodzeniem można znaleźć również inne materiały o dodatkowych właściwościach, które mogą sprawdzać się podczas bardziej precyzyjnych projektów. Są to: l ABS-20S – standardowy filament o dużej uniwersalności, cechujący się trwałością i wytrzymałością mechaniczną. To także materiał znany z łatwości w procesie obróbki. Modyfikowany materiał ABS posiada większą elastyczność, a jednocześnie jest twardy i odporny na uderzenia, idealnie nadający się do modeli stosowanych w przemyśle. Ponadto jest bardzo lekki i wytrzymały co sprawia, że idealnie nadaje się do produkcji narzędzi, przyrządów ustalających, elementów finalnych itp. l ASA-39 – materiał wykorzystywany w projektach, gdzie potrzebna jest odporność na warunki atmosferyczne, szczególnie działanie światła UV. Cechuje go także wysoka jakość wykończenia ścianki modelu oraz wytrzymałość. l PC-ABS-47 – filament o wysokiej wytrzymałości mechanicznej i temperaturowej, gwarantujący trwałość oraz stabilność wydruku 3D.

29

l zarządzanie

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 4/2019 l

l PET-G-32

i PEP-G-32 ESD – materiał o niskim skurczu. Można z jego wykorzystaniem stworzyć modele o wysokiej dokładności. Nadaje się do zastosowań w przemyśle spożywczym i w medycynie, ponieważ można go poddać procesowi sterylizacji. l HIPS-20 – filament stosowany głównie do tworzenia podpór przy przemysłowym druku ze wszystkich materiałów prócz nylonu. To materiał stosowany również w odlewnictwie do druku 3D form traconych ze względu na jego łatwość wypalania. l PA-6/66 HD – nylon o wysokiej wytrzymałości. Cechuje go twardość, elastyczność oraz sprężystość. Posiada właściwości zbliżone do cech materiałów wykorzystywanych przez inżynierów do produkcji końcowych produktów. l CF-PA-12 – nylon z domieszką włókna węglowego. Cechuje go wyjątkowa trwałość, wysoka sztywność i wytrzymałość na zrywanie - ponad 2,5-krotnie większa niż przy ABS-42. CF-PA-12 to także niski skurcz materiału oraz wysoka odporność termiczna. l WS-20 – materiał podporowy, wypłukiwany w wodzie. Wykorzystanie tego filamentu umożliwia druk podpór w zamkniętych przestrzeniach, dzięki czemu nie ma już ograniczeń geometrycznych drukowanych modeli. l PLA-36 – biodegradowalny polimer, wytwarzany z surowców odnawialnych. Z racji na jego uniwersalność znajduje zastosowanie w wielu branżach. Cechuje go wysoka precyzja i estetyka wykonanych modeli, łatwość drukowania oraz doskonała przyczepność między warstwami. l TPU-93A – elastyczny materiał o twardości 93A Shore’a. Cechuje go niski skurcz przetwórczy, wysoka trwałość oraz dobre łączenie warstw, dzięki czemu nadaje się do produkcji elementów narzędzi, np. mających kontakt z karoserią, przewodów elastycznych, uchwytów i obudów. l PVC – główna zaleta materiału to odporność. Jest również bardzo ekonomicznym filamentem. Polichlorek winylu to materiał o licznych zaletach – jest

odporny na korozję (wewnętrzną i zewnętrzną), chemikalia, oleje czy kwasy, a także na warunki atmosferyczne. Dodatkowo nie przewodzi prądu. To także materiał o wysokiej sztywności. W czasach, kiedy świat tonie w śmieciach, PVC (PCW) docenia się też za to, że podlega recyklingowi. Oprócz wspomnianych już rur i kształtek, z polichlorku winylu wykonuje się także płytki, wykładziny, węże, złączki ciśnieniowe. Na rynku dostępne są również okna PVC, odzież, butelki czy asortyment medyczny, np.: cewniki, dreny, strzykawki. l PEKK – materiał z rodziny PAEK o bardzo wysokiej wydajności. PEKK charakteryzuje się wysoką wytrzymałością na temperaturę (krótkotrwale do 300oC, temperatura zeszklenia 160oC). Bardzo wysoka wytrzymałość na rozciąganie (powyżej 100 MPa), ściskanie i udarność. Materiał jest niepalny (UL93 V0). Odporny na niemal wszystkie organiczne i nieorganiczne chemikalia. Należy dodać, że materiał PVC jeszcze do niedawna nie był dostępny dla użytkowników drukarek 3D pracujących w technologii FFF/FDM. Dzięki nowemu elementowi Vinyl 303 branża produkcji okien lub rur może wykonywać prototyp z materiału o takich samych właściwościach jak produkt końcowy. Dzięki wysokiej odporności PVC na warunki środowiskowe, jak i wytrzymałości mechanicznej, można go także stosować przy produkcji niskoseryjnej. Drukowanie z materiału PVC wiąże się z koniecznością przestrzegania procedur bezpieczeństwa. Obligatoryjnie drukarki muszą mieć zamkniętą komorę oraz system wentylacji, aby spełniać właściwe normy bezpieczeństwa. Oferta materiałów stale się poszerza i warto śledzić doniesienia z branży druku 3D oraz kontaktować się z firmami, których drukarki cieszą się dobrymi opiniami. artykuł sponsorowany

OMNI3D Sp. z o. o. ul. Świętego Michała 43 61-119 Poznań www.omni3d.com


30

druk 3D

Powstała największa dotąd wydrukowana trójwymiarowo łódź Ponad 250 urzędników federalnych i stanowych, managerów z sektora biznesowego, liderów Uniwersytetu Maine i członków społeczności akademickich zgromadziło się, by obserwować, jak Centrum Zaawansowanych Konstrukcji i Kompozytów UMaine (Uniwersytetu Maine) osiągnęło 10 października trzy potwierdzone rekordy świata Guinnessa za największą w świecie prototypową drukarkę polimerową 3D, największy trójwymiarowo wydrukowany obiekt i za największą łódź wydrukowaną na drukarce 3D. Kulminacją wydarzenia były testy największej w świecie, 25-stopowej (ok. 7,6 m) powstałej w drukarce 3D łodzi o masie ok. 1 tony nazwanej 3Dirigo. Prób dokonano w Alfond W2 Ocean Engineering Laboratory, ośrodku badań modelowych, wyposażonym w wysokowydajną maszynę do tworzenia „sztucznego wiatru” na basenie modelowym z wielokierunkową wytwornicą fal. Ceremonia stała się kamieniem milowym w umacnianiu pozycji UMaine w dziedzinie badań i rozwoju nowoczesnych materiałów kompozytowych, a także w zakresie wykorzystania ogromnych zasobów naturalnych Maine i w celu stymulowania innowacji, które stwarzają duże możliwości rozwoju gospodarczego w stanie i poza nim. Nowa drukarka 3D została zaprojektowana do wytwarzania obiektów o długości 100 stóp (ok. 30,5 m), 22 stóp (ok. 6,7 m) szerokości i na 10 stóp (ok. 3 m) wysokości i może drukować z wydajnością 500 funtów (ok. 250 kg) masy wsadu addytywnego na godzinę. Ta jedyna w swoim rodzaju drukarka będzie wspierać kilka ambitnych inicjatyw, w tym rozwój biobazowych (bazujących na materiale biologicznym) materiałów wsadowych z wykorzystaniem celulozy pochodzącej z zasobów drzewnych oraz szybkie prototypowanie (rapid prototyping) w zastosowaniach cywilnych, obronnych i infrastrukturalnych. Współpraca badawcza o wartości 20 milionów dolarów z Oak Ridge National

Laboratory (ORNL), największym laboratorium naukowym Departamentu Energii USA, będzie wspierać podstawowe badania w kluczowych obszarach technicznych w wytwarzaniu addytywnym na dużą skalę, z wykorzystaniem materiałów wsadowych opartych na materiale biologicznym. Partnerstwo pomiędzy UMaine i ORNL przyczyni się do postępów w produkcji nowych biobazowych materiałów umożliwiających drukowanie 3D dużych, wymagających konstrukcyjnie systemów. Badania skoncentrują się na produkcji nanowłókien celulozowych (CNF), suszeniu, funkcjonalizacji i łączeniu ich z tworzywami termoplastycznymi, opierając się na wiodącej roli UMaine w technologii CNF i badaniach nad wytłaczaniem. Umieszczając CNF z drewna w tworzywach termoplastycznych, można opracować systemy materiałów nadających się do recyklingu, których właściwości mogą konkurować z materiałami tradycyjnymi, a być może nawet metalami. Surowce i materiały wsadowe pochodzenia biologicznego nadają się do recyklingu i są ekonomiczne, zapewniając przewagę konkurencyjną dla przemysłu wytwórczego Maine (najbardziej zalesionego stanu w USA), w tym jego przemysłu stoczniowego. Centrum Kompozytów UMaine otrzymało 500 000 USD od Maine Technology Institute (MTI), aby stworzyć klaster technologiczny, który pomoże konstruktorom łodzi Maine zbadać, w jaki sposób druk 3D na

dużą skalę z wykorzystaniem ekonomicznych, wypełnionych drewnem tworzyw sztucznych, może zapewnić przemysłowi przewagę konkurencyjną. Klaster łączy doświadczenie naukowców z UMaine i liderów przemysłu morskiego w celu dalszego rozwoju i komercjalizacji druku 3D z korzyścią dla budowniczych łodzi i statków. Dzięki drukowaniu tworzyw sztucznych 3D z wykorzystaniem 50% drewna, formy i części (elementy konstrukcyjne) łodzi mogą być produkowane znacznie szybciej i bardziej ekonomiczne niż stosowanymi dzisiaj tradycyjnymi metodami. Aby zademonstrować możliwości nowej drukarki, UMaine 3D wydrukowała 25-stopową łódź patrolową o kształcie kadłuba opracowanym przez Navatek, lidera w projektowaniu statków i partnera przemysłowego Centrum Kompozytów UMaine. Łódź o wadze 5000 funtów (ok. 2,5 tony) została wydrukowana w ciągu 72 godzin – od czwartku 19 września do niedzieli 22 września. Masywna drukarka, posiadająca możliwości zarówno addytywnego wytwarzania, jak i precyzyjnej obróbki mechanicznej (np. frezowania, wycinania, wiercenia), pozwala na szybkie tworzenie prototypów zarówno do zastosowań obronnych, jak i cywilnych. informacja prasowa

PBS, rel (UMaine) Źródło: www.portalmorski.pl

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 4/2019 l


druk 3D

31

Filament z kompozytu PVB do zastosowań w druku 3D (FDM) ZENON TARTAKOWSKI, KATARZYNA CIMANDER, MAKSYMILIAN BURZYŃSKI

Techniki przyrostowe są coraz częściej stosowane w procesach produkcyjnych. Ich rozwój w znacznym stopniu determinowany jest nowymi materiałami. Najbardziej dynamicznie rozwija się druk w technologii FDM (Fused Deposition Modelling), gdzie filament wytworzony jest z tworzywa termoplastycznego. W pracy przedstawiono możliwość wykorzystania recyklatu PVB do wytworzenia kompozytu polimerowego przeznaczonego do druku 3D. Z materiału wytworzono techniką ekstruzji filament, wykonano wydruki próbek, które następnie poddano badaniom. Porównano również właściwości próbek drukowanych i wytwarzanych technologią przetwórstwa wtryskowego. Stwierdzono, że nowy materiał może mieć zastosowanie na wyroby elastyczne, a jego adhezja do podłoża szklanego jest dobra.

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 4/2019 l

Rys. 1. Rynek druku 3D na świecie [1]

Rys. 2. Rynek drukarek 3D ze względu na wykorzystywaną technologię [3]

t

Techniki przyrostowe (AM ) są najbardziej dynamicznie rozwijającą się technologią wytwarzania elementów zarówno z metalu, ceramiki, jak i tworzyw i kompozytów polimerowych. Według aktualnych prognoz ich rozwój w zakresie materiałów, usług oraz drukarek w skali rocznej wynosi ok. 20% (rys. 1) [1]. Istnieje szereg metod technologii przyrostowych (addytywnych), w tym SLS, SLM, SLA oraz FDM (rys. 2). Ostatnia z wymienionych technologii (FDM) wykorzystuje do budowania modelu wytłaczanie uplastycznionego materiału termoplastycznego przez specjalną głowicę [2]. Ponad 50% rynku drukarek 3D stanowią urządzenia przyrostowe w technologii FDM [3]. Wynika to w większości z łatwiejszego dostępu do materiału (filamentu), możliwości jego modyfikacji oraz proekologicznego procesu wytwarzania (produkcja bezodpadowa). Technologia druku jest szczegółowo przedstawiona w literaturze [2, 4]. Również i właściwości uzyskiwanych wyrobów, wytwarzanych w szerokim zakresie różnych parametrów są przedstawiane w pracach krajowych i zagranicznych [5–9]. W procesach drukowania stosowane są różne materiały termoplastyczne, przy czym w większości wytwarzane na osnowie PLA, PA, ABS, PC/ABS. Stosowane są również kompozyty zawierające napełniacze w postaci pyłu drzewnego, związków metali, proszków ceramicznych [10–12]. Istotnym problemem drukowania jest uzy-

skiwanie dobrej adhezji pomiędzy podłożem a wytworem. Wśród stosowanych materiałów do druku niewiele jest materiałów na bazie klasycznych poliolefin, jak polipropylen i polietylen. Mając na uwadze korzystne właściwości tych materiałów oraz ich powszechne wykorzystanie w przemyśle tworzyw sztucznych, w pracy przedstawiono możliwości wytworzenia oraz zastosowania filamentu do druku, będącego kompozytem na osnowie PP. Jako modyfikator wykorzystano poprodukcyjne odpady folii PVB (poliwinylobutyralu) [13].


32

druk 3D

Wykorzystanie tego materiału uzasadnić można jego korzystnymi właściwościami, obejmującymi [14]: l wysoką adhezję do szkła (najczęściej stosowana platforma drukująca); l korzystne właściwości mechaniczne (w tym wysoka elastyczność); l dobre właściwości antystatyczne. Na podstawie wcześniejszych badań kompozytów PVB/PP [15,16] wytypowano materiał zawierający 25% wag. PVB. W artykule dokonano charakterystyki nowego materiału, poprzez określenie jego właściwości fizycznych, przetwórczych oraz mechanicznych. Przedstawiono również wyniki badań wytrzymałości na rozciąganie próbek wykonanych technologią FDM i porównano je z wytworzonymi technologią wtryskową.

Materiał badawczy Do wytworzenia materiału badawczego wykorzystano: 1. Odpady technologiczne folii PVB w postaci nieregularnych skrawków, z zakładu produkującego szyby bezpieczne Glaspo, gęstość: 1,06 g/cm3; 2. Polipropylen MOPLEN HP648T, firmy LyondellBasell, 0,90 g/cm3. Filament do druku technologią FDM o średnicy 1,75 mm wytworzono w procesie wytłaczania (temp. wytłaczania: 175oC, prędkość obrotowa ślimaka: 30 obr./min) przy wykorzystaniu linii produkcyjnej ZAMAK Mercator (rys. 3), w skład której wchodzą: l dozownik tworzywa (1); l wytłaczarka jednoślimakowa (2); l głowica formująca (3); l wanna chłodząca (4); l miernik laserowy średnicy (5); l odciąg gąsienicowy (6); l kompensator grawitacyjny (7); l nawijarka (8). Z wytworzonego filamentu wykonano próbki do badań, przy użyciu drukarki firmy Omni3D, RapCraft 1.3. Przyjęto następujące parametry druku: l grubość pojedynczej warstwy: 0,2 mm; l ilość warstw z pełnym wypełnieniem: 3; l prędkość druku 10 mm/s; l temperatura druku: 175ºC; l oprogramowanie wykorzystane do wykonania g-codu: Kisslicer; l średnica dyszy drukującej: 0,4 mm; l stopień wypełnienia: 25%, 50%, 75%, 100%.

Przy wytworzeniu próbek przyjęto, że dla różnych stopni wypełnienia grubość warstw zewnętrznych będzie taka sama (rys. 4). Do celów porównawczych wykonano również próbki technologią przetwórstwa wtryskowego z wykorzystaniem wtryskarki ślimakowej Boy 15 (temp. wtrysku 190/180/180°C, ciśnienie wtrysku 50 MPa, ciśnienie docisku 25 MPa).

Metodyka badawcza Badania przeprowadzono wg schematu przedstawionego w formie graficznej na rys. 5. Program obejmował: l przygotowanie materiału badawczego; l przetwórstwo na wtryskarce ślimakowej granulatu (wykonanie próbek); l wytworzenie filamentu; l druk próbek; l badania próbek. Jak przedstawiono na rys. 5 w pierwszej kolejności scharakteryzowano materiał badawczy, wyznaczając jego następujące właściwości:

1. Gęstość – metoda hydrostatyczna, waga AXIS, norma: PN-EN ISO 1183. 2. Masowy wskaźnik szybkości płynięcia (MFR) – plastometr: MeltFlow T.Q. Ceast 6841/048, norma: PN-EN ISO 1133, warunki badania: temperatura – 180, 190, 200°C, obciążenie – 1,2; 2,16; 3,36 kg. 3. Udarność wg Charpy’ego – młot wahadłowy ZWICK B5102.201, norma: PN-EN ISO 179, parametry badania: próbki bez karbu, kierunek uderzenia krawędziowy. 4. Twardość wg Shore’a – twardościomierz FRANK 104, norma: PN-EN ISO 868, wgłębnik zaostrzony na końcu (typ D). 5. Próba statycznego rozciągania – uniwersalna maszyna testująca Shimadzu AG-X plus, norma: PN-EN ISO 527, parametry badania: prędkość rozciągania 50 mm/ min, wyznaczane wielkości: l krzywe naprężenie – odkształcenie; l wytrzymałość na rozciąganie (Rm); l moduł Younga (E); l odkształcenie podczas pęknięcia (ε).

Rys. 3. Linia technologiczna do produkcji filamentu [17]

Rys. 4. Schemat przekroju wydrukowanych próbek

Rys. 5. Program wykonywanych badań

Tabela 1. Właściwości kompozytu PVB/PP oraz PVB i PP (próbki wykonane technologią przetwórstwa wtryskowego) ρ (g/cm3)

an (kJ/m2)

HSH (°Sh D)

Rm (MPa)

E (MPa)

ε (%)

PP

0,90

56,87

69,67

38,35

1481,4

26,17

PVB/PP 25/75

0,94

13,92

61,27

20,38

1681,5

59,75

PVB

1,06

-

14,90

18,10

4,48

199,94

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 4/2019 l


druk 3D

33

Wyniki i dyskusja

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 4/2019 l

Rys. 6. Wpływ warunków badania na wartości MFR kompozytu PVB/PP (25/75)

Rys. 7. Przykładowe krzywe naprężenie-odkształcenie dla próbek wytworzonych technologią FDM

Rys. 8. Przełomy próbek wydrukowanych przy różnym stopniu wypełnienia

Rys. 9. Właściwości mechaniczne próbek wykonanych technologią przetwórstwa wtryskowego i technologią FDM, przy różnym stopniu wypełnienia: (a) wytrzymałość przy rozciąganiu, (b) moduł Younga

t

Podstawowe właściwości nowego materiału kompozytowego PVB/PP oraz materiałów wyjściowych (PVB i PP) określono na podstawie badań znormalizowanych próbek wytworzonych w technologii przetwórstwa wtryskowego (tab. 1). Przebieg zmian masowego wskaźnika szybkości płynięcia MFR kompozytu PVB/ PP w zależności od temperatury i obciążenia przedstawia rys. 6. Na podstawie uzyskanych wyników badań (tab. 1, rys. 6) stwierdzono, że materiał posiada korzystne właściwości mechaniczne oraz przetwórcze. Zastosowanie PVB jako modyfikatora PP spowodowało zwiększenie jego elastyczności o 128% w porównaniu z czystym polipropylenem oraz czterokrotny wzrost twardości w stosunku do PVB. Badania MFR kompozytu PVB/PP w zakresie temperatur 180–200°C przy obciążeniu 1,2 kg wykazały, że jest on korzystny dla procesu drukowania (jest w przedziale 5–30 g/10 min [18]). Pozwala to prowadzić proces w zakresie temperatur 175–190°C. Przeprowadzone badania wytrzymałościowe wydrukowanych próbek pozwoliły na określenie wpływu stopnia ich wypełnienia na przebieg krzywych naprężenie-odkształcenie (rys. 7). Istotny wpływ na właściwości wytrzymałościowe wytworzonych techniką druku 3D próbek ma ich stopień wypełnienia (rys. 7). Najwyższą wytrzymałość posiadają próbki drukowane przy pełnym stopniu wypełnienia, a najniższą przy 25% stopniu wypełnienia. Zmniejszenie stopnia wypełnienia nie wpływa równocześnie na odkształcenie podczas pęknięcia, pozwalając równocześnie skrócić czas drukowania oraz zmniejszyć ilość wykorzystywanego materiału. Przedstawione na rys. 8 zdjęcia przekrojów próbek po procesie statycznego rozciągania pokazują, jak wraz ze wzrostem stopnia wypełnienia następuje zmniejszenie ilości pustych przestrzeni w próbce. Porównanie wytrzymałości na rozciąganie i modułu Younga próbek wykonanych w technice przyrostowej oraz technologią przetwórstwa wtryskowego przedstawiono na rys. 9. Analizując wyniki właściwości mechanicznych (rys. 9), można stwierdzić, że próbki drukowane posiadają średnio wytrzymałość mechaniczną wynoszącą: 11,9 MPa. Zwiększanie stopnia wypełnienia powodowało wzrost wytrzymałości z 10,8 MPa, dla próbek wydrukowanych z 25% stopniem wypełnienia do 13,9 MPa, dla próbek wydrukowanych ze 100% stop-


34

druk 3D

niem wypełnienia. Przy czym wytrzymałość próbek wydrukowanych przy pełnym stopniu wypełnienia utrzymywała się na poziomie 70% wartości osiąganych przez próbki wytworzone technologią przetwórstwa wtryskowego. Znaczące różnice pomiędzy próbkami drukowanymi a wtryskiwanymi zauważono w przypadku wartości odkształcenia oraz Modułu Younga. Próbki drukowane posiadały średnio odkształcenie wynoszące 10%. Równocześnie zmiana stopnia wypełnienia próbek nie powodowała różnic w ich sztywności (moduł Younga) oraz odkształceniu podczas pęknięcia. Różnice obu tych parametrów mieściły się w przedziale odchyleń standardowych.

Wnioski Otrzymane wyniki potwierdzają możliwość wykorzystania kompozytu PVB/PP (25/75), jako materiału do druku. Materiał ten posiada dobre właściwości mechaniczne oraz wysoki wskaźnik szybkości płynięcia, pozwalający na wykorzystanie go jako filamentu do druku. Wydruki wykazują się dużą stabilnością, dobrą dokładnością wymiarową, zaś proces może być prowadzony bez podgrzewania platformy drukującej. Korzystnym jest również obniżenie temperatury druku do 175°C w porównaniu do innych materiałów. W konsekwencji prowadzi to do skrócenia czasu chłodzenia oraz zredukowania kosztów produkcji.

Literatura [1] Wohlers Report: Additive Manufacturing and 3D Printing, State of the Industry Annual Worldwide Progress Report. Wohler’s Associates, Inc., 2016. [2] A. Gebhardt, J. Kessler, L. Thurn: (2016). 3D-Drucken: Grundlagen und Anwen-

dungen des additive manufacturing (AM). Carl Hanser Verlag GmbH Co KG. [3] https://www.aniwaa.com, dostęp dnia: 14.11.2018 r. [4] K. Czerwiński, M. Czerwiński: (2013). Drukowanie w 3D. InfoAudit. [5] F. Górski, R. Wichniarek, J. Andrzejewski: (2012). Wpływ orientacji części na wytrzymałość modeli z ABS wytwarzanych techniką modelowania uplastycznionym tworzywem polimerowym. Przetwórstwo tworzyw, 18(5), 428-435. [6] D. Popescu, A. Zapciu, C. Amza, F. Baciu, R. Marinescu: (2018). FDM process parameters influence over the mechanical properties of polymer specimens: A review. Polymer Testing, 69, 157-166. [7] Z. Tartakowski, K. Mydłowska: (2015). Właściwości mechaniczne wyrobów wytworzonych technologią FDM. Przetwórstwo Tworzyw, 21(2), 171-175. [8] K. Mydłowska, Z. Tartakowski: (2015). Właściwości mechaniczne wyrobów wytworzonych technologią FDM z poliamidu. Przetwórstwo Tworzyw, 21 (6), 467-472. [9] P. Czyżewski, M. Bieliński, D. Sykutera, M. Jurek, M. Gronowski, Ł. Ryl, H. Hoppe: (2018). Secondary use of ABS co-polymer recyclates for the manufacture of structural elements using the FFF technology. Rapid Prototyping Journal, 24(9), 1447-1454. [10] L. Novakova-Marcincinova, J. Novak-Marcincin, J. Barna, J. Torok: (2012). Special materials used in FDM rapid prototyping technology application. In Intelligent Engineering Systems (INES), 2012 IEEE 16th International Conferenc. 73-76. [11] L. Novakova-Marcincinova, I. Kuric: (2012). Basic and advanced materials for fused deposition modeling rapid proto-

typing technology. Manuf. and Ind. Eng, 11(1), 24-27. [12] Dudek, P. F. D. M. (2013). FDM 3D printing technology in manufacturing composite elements. Archives of Metallurgy and Materials, 58(4), 1415-1418. [13] Z. Tartakowski, K. Mydłowska: Materiał do druku techniką modelowania uplastycznionym tworzywem sztucznym, PL 230118 B1 (2015). [14] C. Carrot, A. Bendaoud, C. Pillon: (2016). Polyvinyl Butyral, w: Handbook of Thermoplastics, red. Olabisi, O., Adewale, K., ACRC Press, 89–138. [15] Z. Tartakowski, K. Cimander: (2017). Nowe materiały kompozytowe z recyklatu PVB. Nowoczesne materiały polimerowe i ich przetwórstwo, pod red. Klepka, T., Politechnika Lubelska, 191208. [16] Z. Tartakowski, K. Cimander, J. Bursa,: (2018). New polymer construction materials for applications in electrical engineering. In Innovative Materials and Technologies in Electrical Engineering (i-MITEL), IEEE. [17] http://www.zamakmercator.pl, dostęp dnia 22.11.2018 r. [18] Hopkins P. E., Material and method for three-dimensional modeling, US 6869559 B2 (2003). Artykuł został opublikowany w czasopiśmie „Przetwórstwo Tworzyw”, 2018, t. 24, nr 5 (185), s. 36–42.

dr hab. inż. Zenon Tartakowski, prof. ZUT mgr inż. Katarzyna Cimander mgr inż. Maksymilian Burzyński Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny Wydział Inżynierii Mechanicznej i Mechatroniki al. Piastów 19, 70-310 Szczecin

Drukowany samochód kompozytowy – kompozyt węglowy Na targach przemysłu komozytowego w Azji JEC Asia 2018 pokazano drukowany, jeżdzący kabriolet o nazwie BASTA. Ten samochód jest drukowany przez system Super-Sized Additive Manufacturing (SSAM) opracowany przez KCTECH. Skupia się on głównie na drukowaniu dużych części, makiet i form. KCTECH SSAM to wielkoformatowa drukarka 3D (W-2,5m x L-2,5m x H-2m), która drukuje materiały opracowane przez KCTECH (termoplastyczne wzmacniane włóknem węglowym) z wykorzystaniem technologii FDM. KCTECH wdrożył wszystkie procesy rozwoju druku

3D, takie jak materiał, sprzęt, rozwój procesu druku i projektowanie produktów. KCTECH, czyli Korea Institute of Carbon Convergence Technology jest jedynym finansowanym przez rząd instytutem badawczym zajmującym się materiałami wzmacnianymi włóknem węglowym i strukturami kompozytowymi w Korei. KCTECH głównie promuje przemysł maszynowy i motoryzacyjny, przemysł kompozytów węglowych oraz przemysł materiałów z przeznaczeniem do części zamiennych, który jest jednym z kluczowych sektorów przemysłu oraz jest przemysłem strategicznym Korei.

informacja prasowa

Źródło: www.kompozyty.net

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 4/2019 l


35

druk 3D PŁYTY KOMPOZYTOWE DLA ARCHITEKTURY, WNĘTRZ, TRANSPORTU I BUDOWNICTWA AluComposites jest przedstawicielem firmy DesignComposite z Austrii, która posiada 70-letnie doświadczenie w klejeniu kompozytów. Oferujemy płyty o różnych rdzeniach i różnym poszyciu w dowolnych kombinacjach. Posiadamy w ofercie trójwymiarowe, transparentne płyty dekoracyjne z tworzyw sztucznych PC – poliwęglan, PMMA – plexi, PET. Różne rodzaje rdzenia, różne poszycia w tym perforowane – akustyczne dają olbrzymie możliwości w dziedzinie projektowania wnętrz i architektury. Na szczególną uwagę zasługują transparentne płyty akustyczne, które pochłaniają dźwięki, nie zasłaniając światła. Wszystkie płyty dekoracyjne charakteryzują się efektem 3D poprzez transparentne poszycie i transparentny rdzeń.

Nasza oferta również obejmuje nowoczesne i niezwykle trwałe płyty z poszyciem aluminiowym i GFK o różnej grubości dla transportu i przemysłu, oferujemy rdzenie spienione o różnej gęstości i wytrzymałości oraz rdzenie hexagonalne z aluminium i polipropylenu. Płyty mogą mieć różne grubości 8–100 mm oraz formaty max 2600 x 13000 mm. Oferujemy obszerną pomoc techniczną, doradztwo, projektowanie i kompletacje dostaw, oparte na wieloletnim doświadczeniu. Wykonujemy prototypy i modele.

Poznaj naszą ofertę, poznaj nasze możliwości!

We believe that the future is lighter!

AluComposites

www.alucomposites.pl biuro@alucomposites.pl

ul. Śliczna 30/30, Kraków tel. 733 03 18 13, tel. 575 99 33 58

reklama

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 4/2019 l


36

druk 3D

Szwedzcy naukowcy opracowali nową metodę druku 3D z celulozy ŁUKASZ DŁUGOSZ

Celuloza jest jednym z najczęściej występujących w przyrodzie materiałów biologicznych, co zapewnia do niej tani i niemal nieograniczony dostęp. Sprawia to, że tworzywem tym chętnie zajmują się naukowcy z różnych ośrodków naukowych. Tym razem swoich sił w tym temacie próbują uczeni z Chalmers University of Technology w Szwecji.

Powszechność celulozy związana jest z jej występowaniem w obrębie ściany komórkowej roślin zielonych oraz niektórych grzybów i glonów. Jej zawartość jest zmienna i zależna od konkretnego gatunku, kształtując się w przedziale od 45% do 90%. Wartości te sprawiają, że materiał ten jest najobficiej występującym polimerem organicznym na świecie. Chociaż druk 3D z „drewna” znany jest nam od dawna i swego czasu był nawet dość popularny, to z prawdziwym drewnem miał w sumie niewiele wspólnego. Typowe tego typu materiały to kompozyty PLA z domieszkami zmielonych drewnianych cząstek. Chociaż po wydrukowaniu model przypominał nieco drewno, a nawet podobnie do niego pachniał, to mimo wszystko jego właściwości wytrzymałościowe nie miały z tym materiałem zbyt wiele wspólnego. Podejście szwedzkich naukowców do druku 3D z drewna polega na zastosowaniu specjalnych hydrożeli, w których znajdują się nanowłókna celulozy, a sam

proces ekstruzji oparty jest na technologii FDM. Jak wiemy za całą tajemnicę dużej wytrzymałości elementów drewnianych odpowiada struktura znajdujących się w jego wnętrzu włókien. Naukowcy pomyśleli również i o tym. Ich sposobem na

odwzorowanie tego układu jest zmiana położenia kąta głowicy drukującej lub płaszczyzny platformy roboczej. Stosując opracowane rozwiązanie, naukowcom udało się wydrukować niewielkie struktury, które charakteryzowały się właściwościami wytrzymałościowymi zbliżonymi do prawdziwego drewna. Jedynym problemem całego procesu jest jego skala. Struktura wewnętrzna drewna zawiera włókna w mikroskopijnych rozmiarach, podczas gdy druk 3D z celulozy odbywa się przy wykorzystaniu dyszy o średnicy 0,4 mm. Pomimo powyższych różnic eksperyment przyniósł oczekiwane rezultaty

i udowodnił dużą zależność wpływu układu włókien celulozy na wytrzymałość wykonywanego modelu. Wykorzystanie tej metodyki może w przyszłości przyczynić się do opracowania ciekawych możliwości jej zastosowań. informacja prasowa

Źródło: www.fabbaloo.com www.sciencedirect.com Źródło: www.3dwpraktyce.pl

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 4/2019 l


materiały kompozytowe

37

Odporność na uderzenia laminatów stosowanych na elementy nadwozia pojazdów Powszechnie stosowane na osłony, zderzaki, obudowy maszyn i urządzeń laminaty poliestrowo-szklane z racji pełnionej funkcji są narażone na różnego rodzaju dynamiczne oddziaływanie siły skupionej. Uderzenia często mają charakter powtarzających się cyklicznie zdarzeń. W artykule zaprezentowano wyniki badań dotyczące laminatów poliestrowo-szklanych wzmocnionych matami oraz tkaninami, poddanych kilkudziesięciokrotnym uderzeniom. Zastosowano znormalizowaną metodę spadającego grota, metodę stopniowego wyznaczania. Wyniki pomiarów wskazują na dużą odporność na przebicie laminatów wykonanych z tkanin szklanych, równocześnie wskazują na znalezienie rozsądnego kompromisu pomiędzy laminatami o znacznej sztywności, tańszych, wykonanych z mat, a dużą wytrzymałością na uderzenia laminatów o stosunkowo niskiej sztywności przy małej liczbie warstw tkanin, przez to tańszych. Kompozyty warstwowe ze wzmocnieniem z włókien ciągłych stanowią bardzo ważną grupę materiałów konstrukcyjnych stosowanych w wielu gałęziach przemysłu. Są one chętnie stosowane w budowie środków transportu niezależnie od sposobu ich przemieszczania się. Jak w przypadku wszelkich nowoczesnych kompozytów polimerowych, jest to spowodowane równoczesną możliwością zapewnienia wysokiej trwałości i wytrzymałości elementów, poprawienia osiągów pojazdów oraz zmniejszenia zużycia paliwa poprzez zmniejszenie masy konstrukcji [2, 10, 12]. Ponadto kompozyty wyróżniają się stosunkowo łatwym formowaniem dowolnych kształtów [8], znakomitą wytrzymałością mechaniczną oraz znaczną odpornością na warunki atmosferyczne, jak również większość agresywnych czynników chemicznych [3, 5]. Znaczne pod względem ilościowym zastosowanie laminatów polimerowych nie powoduje jednak zwiększenia aspektów poznawczych pod względem ich zachowania się w eksploatacji. Jest to spowodowane mnogością czynników mających wpływ na odpowiedź układu mającego w swej strukturze tego typu materiały konstrukcyjne. Podstawowym elementem składowym laminatu jest lamina, którą tworzy jedna warstwa wzmocnienia arkuszowego przesyconego żywicą [4, 6]. Włókna w tej strukturze odpowiadają za jej wytrzymałość,

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 4/2019 l

natomiast osnowa oprócz funkcji spajania pełni również funkcję osłaniającą włókna oraz przekazuje obciążenia zewnętrzne na włókna. Laminat, jako materiał konstrukcyjny, składa się wielu lamin połączonych ze sobą za pomocą żywicy w jednym procesie produkcyjnym. Każda kolejna lamina jest układana tak, by największą wytrzymałość wykazywała w innym kierunku niż wcześniejsza. Dobór tych kierunków i ich powtarzalność jest kluczowym zagadnieniem w projektowaniu na przykład kadłubów śmigłowców czy osłon pojazdów szynowych. Najczęściej stosowanymi materiałami na wzmocnienia laminatów mających zastosowanie w transporcie są włókna szklane z uwagi na niską cenę i brak cechy przewodzenia prądu elektrycznego, jak to ma miejsce w przypadku włókien karbonizowanych [7]. Z kolei na osnowę stosuje się żywicę poliestrową szczególnie w przypadku dużych gabarytowo elementów. Wygrzewanie stosowane wobec wielu żywic epoksydowych [3], tak dużych elementów jak kadłuby łodzi, w celu podniesienia właściwości wytrzymałościowych, wobec żywic poliestrowych nie jest konieczne, co znacznie upraszcza proces technologiczny produkcji. Z ponad trzydziestoletniego doświadczenia w stosowaniu laminatów poliestrowo-szklanych wynika, że mogą być one eksploatowane w warunkach atmosferycznych nawet przez okres ponad 30 lat bez znacznego pogorszenia wytrzymałości [5].

Na właściwości laminatów wpływają ponadto między innymi takie czynniki jak: odpowiedni dobór rodzaju włókien oraz żywicy, rodzaju splotu tkanin lub rodzaj mat [11], czy zależność od udziału objętościowego oraz właściwości obu komponentów [1, 4], jak również doboru metody procesu produkcyjnego. Stosowanie wzmocnienia w postaci mat powoduje zmniejszenie wytrzymałości mechanicznej laminatów, jednakże powodują zmniejszenie skłonność do delaminacji. Kompozyty w postaci laminatów są chętnie stosowane w przemyśle maszynowym, zbrojeniowym, elektrotechnice, w transporcie powietrznym, samochodowym, kolejowym oraz morskim. Wykonywane są z nich przeważnie osłony maszyn i urządzeń, zbiorniki [9], obudowy i kadłuby maszyn transportowych w tym śmigłowców, samolotów pasażerskich, jak również elementy nadwozi ciężarówek, autobusów, samochodów osobowych, pojazdów szynowych.

Badania doświadczalne Materiały Do wytworzenia laminatów użyto tkaniny STR 010-300-125 (oznaczenie próbek: T) oraz maty EM 1002/300/125 (oznaczenie próbek: M) z włókien o nominalnej średnicy 12 μm wytworzonych ze szkła typu E przez firmę Krosglass S.A. Zarówno mata, jak i tkanina charakteryzowały się silanową preparacją włókien oraz gęstością powierzchniową 300 g/mm2. Na osnowę zastosowano żywicę poliestrową Aropol M 105TB firmy Ashland o gęstości 1100 kg/m3. Do żywicy zastosowano zalecany przez producenta utwardzacz Butanox M-50 w ilości 4% do masy żywicy. Stanowisko badawcze Oznaczanie odporności laminatów poliestrowo-szklanych na uderzenia metodą swobodnie spadającego grotu przeprowadzono w laboratoriach Politechniki Lubelskiej na urządzeniu do badania udarności według normy PN-EN ISO 7765-1:2004 Folie i płyty z tworzyw sztucznych; Ozna-

t

ANETA KRZYŻAK, MATEUSZ NIZIO


38

materiały kompozytowe

czanie odporności na uderzenia metodą swobodnie spadającego grotu – część 1: Metoda stopniowego wyznaczania (ISO 7765-1:1988). Metodyka i przebieg badań Proces laminowania przebiegał trójetapowo. W pierwszym etapie przygotowano metodą kontaktową dwuwarstwowe laminaty z maty lub tkaniny. Minimalna liczba warstw w laminatach wynika z ograniczenia stanowiska badawczego uniemożliwiającego założenie bardzo dużych obciążeń, które mogłyby być konieczne do zniszczenia laminatów o większej liczbie warstw wzmocnienia. Następnie, w drugim etapie, jeszcze przed wystąpieniem punktu żelowania żywicy, laminaty umieszczano na prasie hydraulicznej i poddawano procesowi prasowania pod naciskiem 1, 2, 3, 4 oraz 5 ton na powierzchnię laminatu przez okres 8 godzin. Wykonano również laminaty bez wywierania nacisku (oznaczenie próbek: 0). Trzeci etap polegał na poddaniu wyjętych z prasy laminatów procesowi tzw. dotwardzania w temperaturze pokojowej bez nacisku przez 48 godzin. Zastosowanie procesu prasowania pozwoliło na uzyskanie laminatów o stosunkowo niewielkiej ilości pęcherzyków powietrza w strukturze kompozytów. Ponadto laminaty charakteryzowały się płaską i dwustronnie gładką powierzchnią. Laminaty wykonane z mat były znacznie sztywniejsze, to znaczy zupełnie niepodatne na ręczne wyginanie nadające im kształt cylindra, w przeciwieństwie do laminatów z tkanin szklanych. W dalszej kolejności prac badawczych było przygotowanie próbek do oznaczania odporności na uderzenia metodą spadającego grota. Z gotowych laminatów wycięto próbki o wymiarach 160×160 mm. Badania przeprowadzono zgodnie z metodami opisanymi w normie PN-EN ISO 7765-1:2004. W metodzie A uderzenia były powodowane zrzucaniem coraz większej masy ciężarków (od 0,04 kg do 2 kg) z wysokości 0,66 m przy zastosowaniu grotu w postaci półkuli o średnicy 38 mm, natomiast w metodzie B odważniki o masie od 0,29 kg do 2 kg zrzucano z wysokości 1,5 m przy średnicy grota 50 mm. Laminat w obu metodach był mocowany tak, by nie nastąpiło jego przesunięcie w trakcie pomiarów. Po każdym uderzeniu następowało sprawdzenie stopnia uszkodzenia próbki, co następowało po ocenie wzrokowej i dotykowej. W przypadku, gdy nie było zauważalnego uszkodzenia laminatu wskazującego na rozerwanie struktury wzmocnienia, zwiększano masę obciążenia o 40 g w metodzie A oraz o 30 g w metodzie B. W oznaczeniach laminatów poddanych odporności na uderzenia spadającego grotu metodą A oraz B wpisano

adekwatnie litery „a” oraz „b”. W przypadku zniszczenia ciągłości struktury laminatu, wyznaczono sumaryczną energię zniszczenia Eu, która odpowiada sumie wartości energii potencjalnej wyliczonej przy każdorazowym uderzeniu coraz cięższego spadającego grota.

Omówienie wyników badań Metoda A Na rysunku 1 zaprezentowano zdjęcia laminatów po przeprowadzonych testach odmianą A metody stopniowego wyznaczania odporności na uderzenia spadającego grota. Żadna z próbek nie uległa zniszczeniu określanemu jako przebicie, czyli przerwanie ciągłości struktury wzmocnienia kompozytów. Uszkodzenia miały charakter licznych spękań żywicy, jednak nie

zauważono poważnych uszkodzeń wzmocnienia. Żywica z koloru lekko żółtego przezroczystego z powodu licznych pęknięć przybierała kolor biały nieprzezroczysty. Wszystkie próbki niezależenie od siły nacisku podczas prasowania odznaczały się bardzo zbliżonymi śladami uszkodzenia. Wyjątek w tej serii stanowiła jedna z próbek 0Ta, która była wytwarzana bez wywierania nacisku. Widoczne pęknięcie osnowy pojawiło się już przy uderzeniu obciążenia o masie 850 g. Przy kolejnych uderzeniach postępowało, widoczne na rysunku 2, próbka 0Ta, znaczne rozwarstwienie laminatu biegnące od środka do dwóch krawędzi laminatu. Niemniej jednakowe uszkodzenie nie przyczyniło się do przerwania ciągłości laminatu. Prawdopodobną przyczyną rozwarstwienia był brak spójności w połączeniu pomiędzy

Rys. 1. Uszkodzenia próbek 0Ta, 2Ta oraz 5Ta po pomiarach udarności metodą A Tabela 1. Średnia grubość wytworzonych laminatów Średnia grubość laminatów g, mm Rodzaj Obciążenie prasowania N, kg wzmocnienia 0 1000 2000 3000 4000 Tkanina 0,66 0,48 0,48 0,44 0,46 Mata 1,19 0,84 0,75 0,70 0,67

5000 0,45 0,68

Rys. 2. Uszkodzenia próbek 1Ma, 2Ma,4Ma oraz 5Ma po pomiarach udarności metodą A

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 4/2019 l


materiały kompozytowe

Rys. 3. Uszkodzenia osnowy w laminacie 4Tb, 5Tb po badaniach udarności metodą B

Rys. 5. Pęknięcia powstałe w próbce 0Tb (metoda B)

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 4/2019 l

próbek z tej serii uległa wykruszeniu, co spowodowało odsłonięcie włókien szklanych, co wyraźnie widać na próbkach 4Tb i 5Tb zaprezentowanych na rysunku 3. Oprócz wykruszenia osnowy zaobserwowano zmiany kształtu laminatów wzmocnionych tkaniną. Powierzchnia była bardzo pofalowana z widocznym wgłębieniem w miejscu, gdzie uderzał grot z obciążnikami (rys. 4). Jednak największe zniszczenia zauważono na próbkach 0Tb wytworzonych bez wywierania ciśnienia prasowania. Powstały w nich duże pęknięcia przechodzące niejednokrotnie przez całą próbkę oraz kilka mniejszych rozprzestrzeniających

Rys. 4. Próbka 5Tb po pomiarach odporności na uderzenia

się od środka próbki w stronę jej krawędzi. Przykład zniszczenia laminatu 0Tb po zakończeniu badania udarności przedstawiono na rysunku 5. Tak rozległe pęknięcia w tej próbce spowodowane są dużym udziałem żywicy w kompozycie oraz dużą niejednorodnością struktury wynikającą z dużego udziału objętościowego defektów w postaci pęcherzyków powietrza. Wszystkie laminaty wzmocnione matą szklaną poddane uderzeniom spadającego grota metodą B uległy całkowitemu zniszczeniu (przykład rys. 6). Wartości maksymalnej masy, ilości uderzeń obciążeń poprzedzających oraz sumarycznej energii zniszczenia zestawiono w tabeli 3.

Tabela 2. Wyniki pomiarów odporności na uderzenia spadającego grota metodą A Średnia maksymalna Średnia sumaryczna Sumaryczna Ilość Próbki masa obciążenia masa zniszczenia M maksymalna energia uderzeń grotu m [kg] [kg] zniszczenia Eu [J] 2Ma 1,76 39,60 256,39 44 3Ma 1,68 36,12 233,86 42 4Ma 1,96 49,00 317,26 49 5Ma 1,92 47,04 304,57 48 Tabela 3. Wyniki pomiarów odporności na uderzenia spadającego grota metodą B Średnia maksymalna Średnia sumaryczna Sumaryczna Ilość Próbki masa obciążenia masa zniszczenia M maksymalna energia uderzeń grotu m [kg] [kg] zniszczenia Eu [J] 0Mb 1,16 21,75 140,82 30 1Mb 1,25 25,41 164,52 33 2Mb 1,13 20,59 133,31 29 3Mb 1,04 17,59 111,95 26 4Mb 0,86 11,50 74,46 20 5Mb 0,80 9,81 63,52 18

Rys. 6. Zniszczenia powstałe w próbce 2M (metoda B)

t

warstwami tkaniny, co jest częstym defektem przy kontaktowym wytwarzaniu tego typu kompozytów. Inaczej przebiegały pomiary laminatów wzmocnionych matą szklaną. Na rysunku 2 przedstawiono przykładowe uszkodzenia laminatów po testach odmianą A metody stopniowego wyznaczania odporności na uderzenia spadającego grota. Większość laminatów wzmacnianych matą szklaną uległo zniszczeniu o charakterze przebicia, a więc przerwania ciągłości struktury kompozytu. Podobnemu zniszczeniu nie ulegały próbki 0Ma oraz 1Ma. Średnia maksymalna masa powodująca zniszczenie laminatów, sumaryczna masa oraz maksymalna sumaryczna energia zniszczenia została zestawiona w tabeli 2. Próbki 0Ma oraz 1Ma charakteryzujące się większym udziałem żywicy w laminacie, nie uległy przebiciu, chociaż na kompozytach były widoczne liczne ślady pęknięć żywicy. W pozostałych przypadkach zauważalny jest wzrost sumarycznej energii koniecznej do zniszczenia próbek otrzymywanych przy wyższym ciśnieniu podczas prasowania laminatów. Metoda B Na rysunku 3 przedstawiono wyniki próbek wzmacnianych tkaniną rovingową poddanych badaniom odporności na uderzenia przy zastosowaniu metody B. W żadnej z tych próbek nie zauważono całkowitego zniszczenia struktury. W badanych laminatach uszkodzeniu uległa jedynie ich osnowa. Żywica w większości

39


40

materiały kompozytowe

Zarówno z porównania wyników zestawionych w tabeli 3, jak również z ich prezentacji graficznej (rys. 7) zauważa się, że wraz ze wzrostem obciążenia podczas prasowania zmniejsza się odporność laminatu na uderzenia spadającego grota. Oznacza to, że wytrzymałość tych laminatów jest uzależniona od udziału objętościowego osnowy. Największą wytrzymałością odznaczały się laminaty 1Mb, czy takie, które miały stosunkowo największy udział żywicy, choć mniejszy niż laminaty 0Mb. Jednakże niewielkie obciążenie prasowania spowodowało usunięcie znacznej ilości pustych przestrzeni powietrznych, w związku z tym pojawił się efekt zwiększenia wytrzymałości laminatów wzmocnionych matą szklaną. Dalsze zwiększanie obciążenia spowodowało usuwanie z laminatu zarówno pęcherzy powietrznych, jak i nadmiaru żywicy, co jest korzystne z uwagi na większą wytrzymałość mechaniczną, ale jednak ze skutkiem negatywnym w przypadku odporności na uderzenia. O ile w przypadku metody A obserwuje się wzrost masy koniecznej do zniszczenia laminatów z matą szklaną, o tyle w przypadku metody B zauważa się wyraźnie zmniejszenie sumarycznej masy koniecznej do przebicia kompozytów. Jest to związane z dwa razy większą wysokością, z której upuszczano grot. Podobnie zmniejsza się liczba koniecznych uderzeń prowadząca do zniszczenia laminatów.

Podsumowanie Wyniki badań wskazują jednoznacznie, że pod względem odporności na uderzenia dużo lepiej zachowują się laminaty wzmocnione tkaniną z włókien szklanych. Jeśli nastąpi uszkodzenie, to raczej będzie ono dotyczyło wykruszenia osnowy ze struktury laminatu. Natomiast w przypadku kompozytów wzmocnionych matami z włókna szklanego przy częstych uderzeniach lub przy znacznej sile uderzenia następuje naruszenie struktury laminatu łącznie z rozerwaniem wzmocnienia. W przypadku zastosowania tkanin szklanych, uszkodzeniu ulegała jedynie osnowa laminatu, odsłaniając jego zbrojenie. W miejscu uderzania próbka uległa deformacji, przyczyniając się do rozluźnienia splotu tkaniny oraz zmiany jego struktury. O ile te wyniki wskazują na korzyści ze stosowania wzmocnienia w postaci tkanin szklanych, o tyle mniejszą podatność na deformację mają laminaty wzmocnione matą szklaną. Żadna z próbek z mat szklanych nie zdeformowała się tak jak laminaty z tkaninami. Wynika to ze sztywności laminatów, rozumianej jako podatności na wyginanie laminatów. Laminaty z tkanin użyte w badaniach można

Rys. 7. Wyniki odporności laminatów wzmacnianych matą szklaną na uderzenia spadającego grota metodą B

było łatwo wyginać i ręcznie zwijać w rulon, natomiast laminatów z matami nie udało się zwinąć. Takie porównanie jest możliwe dzięki zastosowaniu wzmocnień o takiej samej gęstości powierzchniowej wykonanych z tego samego rodzaju szkła oraz o takiej samej preparacji zwiększającej adsorbcję osnowy do wzmocnienia. Wśród próbek wzmacnianych matą szklaną można zaobserwować wzrost wytrzymałości wraz z zawartością żywicy w osnowie w przypadku pomiarów prowadzonych zgodnie z metodą swobodnie spadającego grota odmianą B. Niejednoznaczne wyniki zostały otrzymane w próbkach wzmacnianych matą szklaną poddanych badaniom odporności na uderzenia odmianą A. Najmniejszą odpornością na uderzenia wykazały się próbki 2Ma i 3Ma. Przeprowadzone badania wskazują na większe korzyści ze stosowania wzmocnienia w postaci tkanin szklanych przy produkcji laminatów poliestrowo-szklanych z przeznaczeniem na osłony, karoserie, zderzaki środków transportu oraz maszyn i urządzeń. Jedynym ich ograniczeniem stosowania jest sztywność laminatu. Większa sztywność wymaga ułożenia większej ilości warstw wzmocnienia niż w przypadku mat, co niekorzystnie wpływa na cenę tych laminatów, ze względu na zwiększoną ilość zużytych materiałów oraz czasu podczas ich produkcji.

Literatura [1] M.F. Ashby, D.R.H. Jones: Materiały Inżynierskie. Kształtowanie struktury i właściwy dobór materiałów. Tom 2, Wydawnictwo Naukowo- Techniczne, Warszawa 1996. [2] K. Bielefeldt, W. Papacz, J. Walkowiak: Ekologiczny samochód. Wzmocnione tworzywa sztuczne w technice motoryzacyjnej. Rozważania konstrukcyjne.

Część 2. Archiwum Motoryzacji 2011, nr 54(4) s. 5-17. [3] P. Czub, P. Bończa-Tomaszewski, P. Penczek, J. Pielichowski: Chemia i technologia żywic epoksydowych. WNT, Warszawa 2002. [4] L. Dobrzański: Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo. WNT, Warszawa 2000; [5] W. Królikowski, Z. Kłosowska-Wołkowicz, P. Penczek: Żywice i laminaty poliestrowe. WNT, Warszawa 1986. [6] W. Królikowski: Tworzywa wzmocnione i włókna wzmacniające. WNT, Warszawa 1988; [7] H. Leda: Kompozyty polimerowe z włóknami ciągłymi. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2006. [8] P. Mayer, J. Kaczmar: Właściwości i zastosowania włókien węglowych i szklanych. Tworzywa Sztuczne i Chemia 2008, nr 6, s. 52-56. [9] A. Muc: Projektowanie kompozytowych zbiorników ciśnieniowych. Zakład Graficzny Politechniki Krakowskiej, Kraków 1999. [10] J. Pach, P. Mayer: Kompozyty polimerowe z roślinnymi włóknami naturalnymi na potrzeby współczesnej motoryzacji. Mechanik 2010, nr 4, s. 270-274. [11] J. Śleziona: Podstawy technologii kompozytów. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 1998. [12] J. Varga, L. Dulebová: Nekonvenčné technológie v automobilizme. Strojárstvo 2010, nr 12, s. 75-77. Artykuł został opublikowany w czasopiśmie „Autobusy”, 5/2014.

dr hab. inż. Aneta Krzyżak, prof. LAW Lotnicza Akademia Wojskowa w Dęblinie mgr inż. Mateusz Nizio Politechnika Lubelska

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 4/2019 l


materiały kompozytowe

41

KOMPOZYT-EXPO® – misja, biznes, rozwój od dekady – Międzynarodowe Targi Materiałów, Technologii i Wyrobów Kompozytowych KOMPOZYT-EXPO® są jednym z najważniejszych miejsc spotkań przedstawicieli branży materiałów kompozytowych w Europie Środkowo-Wschodniej od dziesięciu lat. Przez ten czas w roli wystawcy spotkaliśmy się z blisko 1800 firmami z całego świata, a targi odwiedziło ponad 25 tys. zwiedzających. Te liczby są najlepszym podsumowaniem naszej dotychczasowej pracy – wyjaśniała pani Ewa Woch, wiceprezes Targów w Krakowie Sp. z o.o.

Powód do świętowania Podczas uroczystego otwarcia jubileuszowej – 10. edycji KOMPOZYT-EXPO® pani Ewa Woch, wiceprezes Targów w Krakowie Sp. z o.o. podziękowała i wręczyła wyróżnienia firmom, które współtworzyły tę wystawę od samego początku. – Nasi klienci i ich potrzeby są dla nas najważniejsze. Wielu naszych wystawców rozwijało się równolegle z targami. To dla nas wielka nobilitacja, gdy widzimy te firmy, jak rokrocznie są częścią tego wydarzenia. Cieszymy się, że EXPO Kraków jest niezwykłym miejscem spotkań dla przedstawicieli tej – jakże ważnej w świecie branży przemysłowej. Odczuwam ogromną satysfakcję, patrząc, jak wzrasta międzynarodowa ranga targów oraz z tego, że każda kolejna edycja KOMPOZYT-EXPO® znacznie skraca dystans targów do najlepszych światowych wydarzeń dedykowanych branży materiałów kompozytowych – podsumowywała pani wiceprezes. Materiały kompozytowe mają zastosowanie na całym świecie – od biżuterii, przez sprzęt sportowy, medyczny, po samoloty i przemysł zbrojeniowy. Rozwój technologii kompozytowych należących do grupy „high-tech” i obniżające się koszty produkcji powodują, że ten materiał wykorzystuje się coraz częściej i chętniej. Duży wydźwięk miały słowa gościa specjalnego – Przemysława Świercza, kapitana reprezentacji Polski w AMP Futbolu, który wygłaszając mowę motywacyjną,

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 4/2019 l

zachęcił naukowców i przedsiębiorców do dalszego rozwijania branży: – Im więcej zdobywałem wiedzy na temat kompozytów, tym bardziej uświadamiałem sobie, że moja proteza, kule czy cały sprzęt sportowy – buty, ochraniacze – to wszystko – to jest właśnie kompozyt. […] Ta branża zmienia świat i myślę, że zmienia świat na lepsze.

Targi lubią biznes Dobrze zaplanowany udział w targach zawsze przynosi realne korzyści biznesowe. To wydarzenie jest doskonałym miejscem do spotkań, pozyskiwania klientów i optymalizacji sprzedaży. Często rezultaty widoczne są od razu, co podkreśla Alexander Wiesner, dyrektor sprzedaży austriackiej firmy Langzauner GmbH: – Po drugim dniu mogę powiedzieć, że jestem zadowolony. Udało nam się znaleźć nowych klientów związanych z przemysłem kolejowym – są to firmy, których wcześniej nie znaliśmy. Mamy więc nadzieję, że kontakty nawiązane na targach zaowocują niebawem. Znaleźliśmy także czas, aby porozmawiać z dotychczasowymi klientami. Podsumowując – jestem zadowolony, także z profilu zwiedzających, którzy reprezentują różne branże […]. Tę opinię potwierdzają również inni wystawcy, m.in.: Leszek Prokopowicz, przedstawiciel AMERI-POL TRADING Ltd. Sp. z o.o.:

– W Targach KOMPOZYT-EXPO® bierzemy udział po raz drugi. Widać, że branża w Polsce się rozwija. Jest coraz więcej wystawców i odwiedzających. Wczorajszy dzień okazał się dla nas bardzo satysfakcjonujący – dużo osób było zainteresowanych naszymi produktami. Dodając na koniec: – Spokojnie możemy polecić udział w targach innym firmom. Sami planujemy obecność podczas kolejnej edycji. Jak pokazują tegoroczne statystyki KOMPOZYT-EXPO® odwiedziło ponad 3500 branżowych gości, a ofertę przedstawiły 222 firmy z 19 krajów, co jest wyraźnym sygnałem, iż jest to znaczące wydarzenie dla branży.

Targi łączą Organizatorzy monitorują trendy, szukają nisz, dostosowują imprezę do potrzeb klientów. W trakcie tegorocznej edycji, goście mogli poznać najnowsze surowce, materiały, produkty kompozytowe, maszyny i narzędzia stosowane do produkcji i obróbki materiałów oraz szeroką gamę usług dedykowanych tej branży (obróbka CNC kompozytów, usługi recyklingowe, badania i rozwój, usługi doradcze i szkolenia). Po raz drugi w historii targów został zorganizowany SALON LAB-CONTROL, w którym firmy zaprezentowały akcesoria laboratoryjne, aparaturę analityczną, oprogramowanie, sprzęt optyczny i kontrolno-pomiarowy, a także odbyły się krótkie prezentacje poruszające tematykę optymalizacji pracy laboratoriów. Podczas tegorocznej edycji targów uwagę zwiedzających zwróciły trzy duże ekspozycje.

t

Dwa dni wypełnione prezentacjami branżowych nowości, networkingiem, a także eksperckimi prelekcjami – krótko mówiąc – dziesiąta, jubileuszowa edycja KOMPOZYT-EXPO® zakończona.


42

materiały kompozytowe

Targi promują

Pierwsza została zorganizowana pod wspólnym szyldem „Nauka dla Przemysłu”, na której uczelnie z Polski i zagranicy zaprezentowały swoją ofertę technologiczną, wyniki badań i własne produkty. Obecni byli przedstawiciele Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie, Politechnik: Częstochowskiej, Krakowskiej, Lubelskiej, Łódzkiej, Śląskiej, Warszawskiej, Wrocławskiej, Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie, a także przedstawiciele Uniwersytetu Technicznego w Dreźnie oraz Instytutu Fraunhofera w Poczdamie. Choć przedstawiciele uczelni technicznych w Polsce zwykle się znają i ze sobą współpracują, to jak stwierdziła dr hab. inż. prof. nzw. Politechniki Śląskiej Anna Janina Dolata: – Tym, co stanowi o wyjątkowej wartości tej przestrzeni jest ekspercka wiedza, przekazywana przez naukowców, specjalistów oraz prezentacja praktycznych jej zastosowań. Łatwiej jest rozmawiać z klientami, skupionymi w jednym miejscu […]. Na drugiej przestrzeni swoją ofertę przedstawił Polski Klaster Technologii Kompozytowych wraz z firmami członkowskimi. Różnorodny wachlarz produktów i usług sprawił, że to stoisko cieszyło się ogromnym zainteresowaniem gości. – Bierzemy udział w targach po raz trzeci i jesteśmy bardzo zadowoleni. […] W tym roku obserwujemy duże zainteresowanie naszą ofertą. Co więcej, nasi partnerzy są także zadowoleni z obecności na wspólnym stoisku. Podczas tegorocznej edycji targów – podobnie jak rok temu – prowadziliśmy warsztaty eksperckie i marzy nam się, by w przyszłości stworzyć praktyczne warsztaty pokazowe – mówiła Marta Czulak, koordynator Polskiego Klastra Technologii Kompozytowych. Podkreślając równocześnie, że Klaster jest niezwykle usatysfakcjonowany współpracą z Targami w Krakowie, organizatorem wydarzenia.

Trzecia powierzchnia skupiała małe przedsiębiorstwa z województwa małopolskiego, które uczestniczyły w projekcie „Małopolska Innowacyjna”, zorganizowanym przed Małopolski Urząd Wojewódzki w Krakowie. Dzięki wsparciu ze środków unijnych małe i średnie firmy miały możliwość wypromowania swojej oferty i dotarcia do międzynarodowego grona odbiorców.

Targi współpracują i rozwijają Podczas KOMPOZYT-EXPO® polscy i europejscy liderzy mieli niepowtarzalną okazję do wychwycenia nowych nurtów. Tegoroczny panel referatowy nie bez powodu nosił nazwę „Nauka dla Przemysłu”. Dotyczył on trzech tematów. Rozpoczął się od zagadnień ekologicznych, a konkretnie recyklingu tworzyw kompozytowych. Drugi blok poruszył zagadnienia związane z kompozytami polimerowymi. Tematami przewodnimi były modyfikacje i innowacje w zakresie rozwoju tworzyw na bazie żywic. Ostatnią częścią sesji referatowej były prelekcje związane z kompozytami metalowymi i ceramicznymi oraz ich produkcją. Dzięki Polskiemu Klastrowi Technologii Kompozytowych można było wziąć udział w strefie warsztatowej, która rozjaśniała, jakie trendy i innowacje panują w branży. Omówiono m.in.: technologie czyszczenia suchym lodem, nowe kompozyty w branży automotive czy zaawansowane technologie lekkie. Łącznie, podczas KOMPOZYT-EXPO® przygotowano dla wystawców i zwiedzających 26 wystąpień prowadzonych przez naukowców, specjalistów i liderów branży. Nad jakością wystąpień czuwała Rada Programowa targów oraz główny partner wydarzenia – Polski Klaster Technologii Kompozytowych, którego głównym celem jest wspieranie polskiego biznesu kompozytowego w nawiązywaniu umów międzynarodowych.

Organizatorzy Targów KOMPOZYT-EXPO® mają świadomość, że realizują przedsięwzięcie o wielkim potencjale. We współpracy z Re:view oraz wystawcami powstał w tym roku reportaż „Sites of compoSITES” ukazujący nieograniczone możliwości materiałów kompozytowych, ich nietypowe właściwości, a przede wszystkim zastosowanie w prawie każdej dziedzinie naszego życia. Dzięki licznym działaniom promocyjnym przekaz dotarł do szerokiej grupy odbiorców, także do osób niezwiązanych z przemysłem. – Dobrze jest sobie przypomnieć, jak widziałam kompozyty, zanim zaczęłam pracować w branży i jak mogą być postrzegane przez ludzi z zewnątrz. Dla nas bardzo interesującym przedsięwzięciem i pewnego rodzaju wyzwaniem, było przekazać tę wiedzę prostym, zrozumiałym językiem i otworzyć widzom oczy na to, jak wiele kompozytów jest w naszym codziennym życiu – komentowała to przedsięwzięcie Maria Hud, marketing manager Ciech SARZYNA S.A.

Targi planują Tak jak dynamiczna jest branża, tak również organizatorzy nie zwalniają tempa i już dziś myślą, czym zaskoczyć uczestników nowej edycji KOMPOZYT-EXPO®, która odbędzie się 6 i 7 października 2020 w EXPO Kraków. – Uważnie przyglądamy się zmianom zachodzącym w świecie targowym. Priorytetem na kolejne edycje naszego wydarzenia będą wszelkie nowe inicjatywy nawiązujące do światowych trendów w branży oraz działania, które sprzyjają integracji i kooperacji nauki z przemysłem. Postawimy również na mocną współpracę z międzynarodowymi partnerami. Jesteśmy przekonani, że te działania przyczynią się do świeżego spojrzenia na uczestnictwo w targach jako wydarzeniu, a także przyniosą ze sobą rozwój wystawy i wzmocnią jej pozycję w branży przemysłowej – podsumowuje pani Ewa Woch, wiceprezes Targów w Krakowie Sp. z o.o. Targi w Krakowie Sp. z o.o.

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 4/2019 l


materiały kompozytowe

TOOLEX – niezawodne narzędzie w biznesie Międzynarodowe Targi Obrabiarek, Narzędzi i Technologii Obróbki TOOLEX to jedne z wiodących wydarzeń w Europie Środkowo-Wschodniej. Równolegle z ich 12. edycją odbyły się Targi Olejów, Smarów i Płynów Technologicznych dla Przemysłu OILexpo. Tegoroczną tematykę targów dopełnili również wystawcy salonów: Automatyzacji dla Automotive – TOOLEX dla Automotive oraz Łożysk i Elementów Napędowych – Przemysł w Ruchu. Wystawcy potwierdzają, że TOOLEX to doskonałe narzędzie biznesowego sukcesu – to tutaj zawierają liczne transakcje, nawiązują nowe kontakty biznesowe i podtrzymują dotychczasowe relacje ze stałymi kontrahentami. To najważniejsze wydarzenie dla branży o randze europejskiej w sezonie jesiennym, w którym nie sposób nie uczestniczyć. Targi TOOLEX sukcesywnie wyznaczają trendy – towarzyszą im bowiem liczne prezentacje nowości i premier na polskim rynku.

ustający rozwój targów. Firmy prezentujące swoją ofertę wykorzystały powierzchnię 15 000 m2, dostępną w dwóch pawilonach Centrum Targowo-Konferencyjnego Expo Silesia. W porównaniu do pierwszych targów w 2008 r. liczba wystawców prezentujących swoje rozwiązania wzrosła blisko 5-krotnie, natomiast liczba klientów odwiedzających ich stoiska ponad 3-krotnie. Nic dziwnego, skoro specjaliści z branży uznają wizytę na targach TOOLEX za obligatoryjną. Wystawę odwiedziło ponad 10 tys. zwiedzających.

43

Wśród nich blisko 50% to kadra zarządzająca: prezesi i kierownicy firm. Technologowie stanowią natomiast 15%. Targi licznie odwiedzają również operatorzy CNC, programiści, kontrolerzy jakości i technicy utrzymania ruchu. TOOLEX gości nie tylko przedstawicieli handlowych, którzy właśnie w Sosnowcu zawierają nowe kontrakty, ale również pracowników produkcji, zainteresowanych nowinkami rynkowymi. Aż 54% zwiedzających związanych jest z produkcją i dystrybucją urządzeń do obróbki i cięcia metalu, 10% z branżą metalową, a 9% z narzędziową. Stoiska wystawców wzbudzają zainteresowanie również przedstawicieli sektora automotive i usługowego, a także branży olejowej, chłodziw i cieczy technologicznych. Negocjacje i spotkania z przedstawicielami sektora górniczego i lotniczego,

TOOLEX – OILexpo w liczbach l 528 wystawców z 13 krajów; l blisko 600 reprezentowanych marek; l 450 maszyn w ruchu; 2 l 15 000 m ekspozycji targowej; l ponad 10 000 zwiedzających; l kilkadziesiąt nowości i premier.

Mierzalny sukces 12. edycja TOOLEX zgromadziła imponującą liczbę wystawców i marek. Liderzy rynku, wartościowe spotkania merytoryczne oraz zwiedzający, poszukujący nowych opcji zakupowych – to od lat najważniejsze czynniki wpływające na sukces oraz niechoć mniej liczne, były równie owocne. Targi odwiedzają zarówno klienci z Polski, jak i z zagranicy. Ich dynamiczny rozwój sprawia, że TOOLEX jest mocną marką, szeroko rozpoznawalną na targowej mapie Europy.

TOOLEX to przede wszystkim dynamiczna prezentacja blisko 500 maszyn w ruchu! W specjalnie przygotowanych strefach dynamicznych swoich stoisk liderzy rynku prezentowali jednak nie tylko obrabiarki, urządzenia technologiczne czy urządze-

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 4/2019 l

t

Liderzy rynku


44

materiały kompozytowe szonych produktów bez wahania można użyć słów: innowacyjny, nowoczesny, unikalny i funkcjonalny. Komisja Konkursowa przyznała 2 medale firmom: SERON KOŁODZIEJCZYK Sp.j. za wycinarkę światłowodową FiberCut oraz GF MACHINING SOLUTIONS Sp. z o. o. za centrum do produkcji addytywnej z metalu DMP Flex 350. Przyznano również wyróżnienia: dla firmy MARCOSTA RYSZARD STARZEC za polerkę NGC oraz dla firmy STIGAL za system znakowania i opisywania detali. Tegoroczna formuła prezentacji firm podczas targów była równie imponująca, jak prezentowane na nich rozwiązania. Organizatorzy uhonorowali Medalem Expo

nia do obróbki na gorąco, ale również narzędzia do obróbki, narzędzia i przyrządy pomiarowe, niekonwencjonalne metody obróbki, systemy CAM/CAD oraz oprogramowanie CNC, chłodziwa i środki smarne, wyposażenie i rozwiązania warsztatowe, usługi i wsparcie dla projektów, remonty i modernizacje obrabiarek, a także ogólne usługi obróbcze. Po raz kolejny na targach pojawili się liderzy branży i blisko 600 światowych marek, m.in.: ABPLANALP, AJAN, APX TECHNOLOGIE, AWA, CAMDIVISION, CORMAK, DEMATEC, DIG ŚWITAŁA, DMG MORI, EMUGE FRANKEN TECHNIK, FANUC, GF MACHINING SOLUTIONS, HTM, HURCO, METAL TEAM, MITSUBISCHI ELECTRIC, MTI, NS TOOLS, PAX, SANDVIK, SCHUNK, STIGAL, SUMITOMO ELECTRIC HARTMETALL, TRIMILL, WBM, VOLLMER oraz wielu przedstawicieli polskiego przemysłu obróbczego, m.in.: AFM DEFUM, AVIA, JANUS, FANAR, TBI, PAFANA.

Więcej niż targi TOOLEX to nie tylko wystawa eksponatów i rozwiązań, ale i atrakcyjny program, na który składają się liczne spotkania poświęcone między innymi obróbce metalu, problematyce smarowania czy wizualizacji procesów. Podczas jubileuszowego XXXX Środowiskowego Seminarium Tribologów, organizowanego przez Polskie Towarzystwo Tribologiczne oraz Katedrę Eksploatacji Pojazdów Samochodowych Wydziału Transportu i Inżynierii Lotniczej Politechniki Śląskiej, uczestnicy mogli zapoznać się z problematyką smarowania w transporcie szynowym. Coroczne spotkanie z firmą SANDVIK cieszyło się również ogromnym zainteresowaniem, podobnie jak seminarium dot. indukcyjnej obróbki cieplnej w procesach technologicznych, organizowane przez Politechnikę Śląską, Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii, ELKON Sp. z o.o., czy spotka-

nie organizowane przez Pawła Ziobro, ZPT, dotyczące zastosowania innowacyjnych technologii i metod badawczych w kompleksowej optymalizacji procesu obróbki skrawaniem. Targom towarzyszyło również jedno z najbardziej rozpoznawalnych wydarzeń branżowych w kraju: „Starcie Szlifierzy” firmy 3M, czyli zawody w szlifowaniu, które powstały z myślą o tej grupie zawodowej. Iskry posypały się podczas rozgrywek, w których udział wzięło 100 uczestników! Starciu towarzyszył wykład prowadzony przez Główny Instytut Górnictwa i 3M: „Normy bezpieczeństwa, pomiary i zapobieganie czynnikom szkodliwym w procesach produkcyjnych”. W strefie 3M zagościł natomiast zespół ALL SOUNDS ALLOWED, który przygotował muzyczne show na szlifierkach kątowych.

Medale i nagrodzeni Prestiżowy Konkurs o Medal Expo Silesia dla najlepszego produktu prezentowanego podczas targów cieszył się ogromnym zainteresowaniem. Uroczyste wręczenie nagród odbyło się na wieczornej gali dla wystawców. Do opisu każdego ze zgło-

Silesia najbardziej efektowne stoisko firmy MMC HARDMETAL POLAND Sp. z o. o. Wyróżnienia trafiły natomiast do: SUMITOMO ELECTRIC HARTMETALL GMBH, AEP AJAN ENGINEERING POLSKA, STIGAL, MACHINE TOOLS INTERNATIONAL Sp. z o. o., GF MACHINING SOLUTIONS Sp. z o. o., HANNSA PRECISION, SAID TOOLS S.R.L., HIWIN GMBH oraz MITSUBISHI ELECTRIC EUROPE B.V. Sp. z o. o. Wśród prezentowanych produktów nie zabrakło ciekawostek. Laser światłowodowy do rur i profili LF60M firmy CORMAK był najdłuższym eksponatem tegorocznej edycji TOOLEX. Natomiast bezsprzecznie najcięższy model zaprezentowała firma TRIMILL A.S. Ich pionowe 5-osiowe centrum obróbkowe z przechylnym stołem obrotowym VS 1614 ważyło 32 tony! Organizatorzy wyróżnili również firmę NEWTECH SOLUTIONS Sp. z o. o. za atrakcyjną prezentację oprogramowania w praktyce. Zapraszamy na kolejną edycję w dniach 29 września–1 października 2020 roku! Dołącz do grona naszych wystawców.

www.exposilesia.pl

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 4/2019 l


materiały kompozytowe

45

Kompozyty elastomerowe o polepszonych właściwościach użytkowych Celem badań było uzyskanie kompozytów z kauczuku butadienowo-styrenowego (SBR) o polepszonych właściwościach użytkowych, obniżonej temperaturze i skróconym czasie wulkanizacji. Jako aktywator wulkanizacji zastosowano nanometryczny tlenek cynku zmodyfikowany cieczą jonową w masie elastomeru lub w rozpuszczalniku. Aplikacja takiego układu aktywującego pozwoliła uzyskać wulkanizaty o zwiększonej wytrzymałości na rozciąganie, twardości i odporności na starzenie termooksydacyjne w stosunku do zawierających mikrometryczny ZnO. Czas wulkanizacji uległ skróceniu, a temperatura i entalpia procesu zmniejszyły się. Uzyskano wulkanizaty o 50% mniejszej zawartości ZnO, zgodnie z Dyrektywą Unii Europejskiej. Jednym z najstarszych i najpowszechniejszych procesów przetwórstwa elastomerów jest wulkanizacja. W trakcie tego procesu mieszanki elastomerowe zmieniają się w wysoko elastyczne produkty wskutek równocześnie zachodzących procesów chemicznych i fizycznych. Głównym celem sieciowania jest utworzenie chemicznych wiązań poprzecznych pomiędzy makrocząsteczkami kauczuku, co prowadzi do powstania trójwymiarowej sieci w ośrodku polimerowym [1]. Opracowano wiele układów do wulkanizacji elastomerów, dzięki czemu sieciowanie może przebiegać według różnych mechanizmów i za pomocą różnych substancji sieciujących, takich jak siarka, nadtlenki, tlenki metali, żywice fenolowe chinony. Sam sposób sieciowania zależy od struktury łańcucha polimerowego, jego charakteru chemicznego, a szczególnie obecności określonych grup funkcyjnych, np. karboksylowych, czy chlorosulfonowych [2]. Najpopularniejszymi i najczęściej stosowanymi substancjami sieciującymi są siarka i nadtlenki. Typowy zespół sieciujący składa się z przyśpieszacza, siarki i aktywatora wulkanizacji. Obecność aktywatorów i przyśpieszaczy powoduje skuteczny i szybki przebieg procesu sieciowania. Związki te wpływają na kinetyczne parametry procesu wulkanizacji, takie jak temperatura i czas, a także na bezpieczeństwo przetwarzania kompozytów elastomerowych oraz ilość siarki potrzebną do uzyskania usieciowanej struktury - wulkanizatu [3].

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 4/2019 l

Najczęściej stosowanym aktywatorem jest tlenek cynku (ZnO) w połączeniu z kwasami tłuszczowymi, które solubilizują cynk i tworzą właściwy katalizator. Podczas sieciowania elastomerów, które zachodzi w układzie międzyfazowym, cząstki siarki i przyśpieszacza dyfundują i adsorbują na aktywującej powierzchni tlenku cynku, tworząc pośrednie kompleksy reaktywne, co jest istotne w procesie aktywacji wulkanizacji siarkowej. ZnO wpływa na skrócenie czasu wulkanizacji oraz poprawę właściwości termicznych i fizycznych kompozytów, ale jego stosowanie należy ograniczyć ze względów ekologicznych [4]. Podczas produkcji, stosowania i recyklingu wyrobów gumowych, uwalnia się cynk, przez co działalność człowieka znacznie zwiększyła jego ilości w środowisku. W technologii elastomerów bardzo istotną ustawą jest Dyrektywa Komisji Europejskiej 2003/105/WE, w której wyroby gumowe zawierające ponad 2,5% ZnO są uważane za wysoce toksyczne dla ekosystemów wodnych. Zgodnie z tą Dyrektywą wymagane jest zmniejszenie eksploatacji tlenku cynku i związków zawierających cynk. Istnieje wiele możliwości zredukowania ilości ZnO, jak na przykład: zastosowanie cynku o wyższej aktywności chemicznej w postaci reaktywnych kompleksów z różnymi związkami lub w postaci nanometrycznego ZnO [5]. Chęć aplikacji i zainteresowanie cieczami jonowymi (ILs) spowodowane jest ich unikalnymi właściwościami, takimi

jak: bardzo niskie ciśnienie par, wysoka stabilność termiczna, co rzutuje na możliwości łatwego odzyskiwania produktu i zdolności do recyklingu. Dzięki tym właściwościom ILs są określane jako „zielone rozpuszczalniki”. Ciecze jonowe są solami organicznymi, zwykle składającymi się z kationu organicznego i anionu nieorganicznego, które są ciekłe w temperaturze poniżej 100oC. Dzięki odpowiedniemu doborowi kationu i anionu można zmieniać ich właściwości fizyczne i chemiczne. Ciecze jonowe zostały uznane za związki przyjazne środowisku, alternatywne dla lotnych rozpuszczalników organicznych, a ich zastosowanie wzrosło w ciągu ostatniej dekady [6]. Głównym aspektem tej pracy było zastosowanie nanometrycznego tlenku cynku z zaszczepioną na powierzchni cieczą jonową, jako aktywatora w procesie wulkanizacji siarkowej kauczuku butadienowo-styrenowego (SBR) (o powszechnym zastosowaniu technologicznym). Miało to na celu opracowanie układu aktywującego wulkanizację o większej skuteczności działania niż stosowany tradycyjnie mikrometryczny ZnO. Ciecze jonowe zastosowano z uwagi na ich katalityczne działanie w reakcjach przebiegających na granicy faz oraz ze względu na możliwość poprawy stopnia zdyspergowania cząstek ZnO, co skutkować powinno zwiększeniem efektywności wulkanizacji, a w konsekwencji skróceniem czasu i obniżeniem temperatury tego procesu.

Materiały i metodyka badawcza W badaniach został zastosowany kauczuk butadienowo-styrenowy (SBR) KER 1500, firmy Synthos-Dwory, o zawartości styrenu 22–25% mas. Mieszanki kauczukowe usieciowano za pomocą siarki (Siarkopol, Tarnobrzeg) z użyciem 2-merkaptobenzotiazolu (MBT) i N-cykloheksylo-2-benzotiazolilosulfenamidu (CBS), firmy Sigma Aldrich jako przyśpieszaczy. Mieszanki zostały napełnione sadzą N550

t

ANNA SOWIŃSKA, MAGDALENA MACIEJEWSKA


46

materiały kompozytowe

(dostawca Konimpex). Aktywatorem był nanometryczny tlenek cynku (nZnO), o wielkości cząstek 234 nm i powierzchni właściwej 42,5 m2/g (Qinetiq Limited) w układzie z następującymi cieczami jonowymi (producent Aldrich i IoLiTec): bromkiem didecylodimetyloamoniowym (DDAB), bromkiem 1-decylo-3-metyloimidazoliowym (DMiBr), chlorkiem 1-decylo3-metyloimidazoliowym (DMiCl). Mieszanki elastomerowe o podanym składzie (tab. 1) sporządzono za pomocą walcarki laboratoryjnej o długości walców 330 mm i średnicy 140 mm. Szybkość obrotowa walca przedniego wynosiła 20 obr./min, frykcja 1,1, a średnia temperatura walców 40oC. Ciecz jonową z nZnO wprowadzano bezpośrednio do kauczuku (modyfikacja nZnO w masie) lub w postaci osadzonej na powierzchni ZnO (modyfikacja z rozpuszczalnika). Modyfikację nZnO w rozpuszczalniku przeprowadzono rozpuszczając 7,5 cz. wag. IL w 100 ml acetonu, następnie dodano 15,0 cz. wag. tlenku cynku, tak by całość tworzyła mętny roztwór. Mieszanina została wstawiona na 30 minut do myjki ultradźwiękowej (Bandelin Sonorex), a następnie pozostawiona na noc. Kolejnego dnia odparowano rozpuszczalnik za pomocą wyparki (BUCHI), po czym otrzymaną pastę umieszczono w suszarce próżniowej i suszono przez 3 doby (T = 50oC). Właściwości reometryczne mieszanek zostały wyznaczone zgodnie z normą PN-ISO 3417:1994 przy użyciu reometru bezrotorowego D-RPA 3000 firmy MonTech. Pomiary wykonano w temperaturze 160oC ze stałą amplitudą i przy stałym odkształceniu ścinającym. Różnicowy kalorymetr skaningowy DSC1 (Mettler Toledo) został wykorzystany do wyznaczenia zakresu temperatury wulkanizacji oraz jej efektu cieplnego (entalpii). Pomiar został wykonany w zakresie temperatury -100–250oC z szybkością grzania 10oC/min. Mieszanki kauczukowe zostały zwulkanizowane za pomocą prasy hydraulicznej, ogrzewanej elektrycznie w temperaturze 160oC, pod ciśnieniem 15 MPa, w czasie wyznaczonym na postawie pomiarów reometrycznych. Zgodnie z normą PN-74/C-04236, metodą pęcznienia równowagowego z wykorzystaniem wzoru Flory’ego-Rehnera, określono gęstość usieciowania wulkanizatów [7], wykorzystując parametr oddziaływań elastomer-rozpuszczalnik, określony wzorem: μ = 0,37+0,56Vr, gdzie Vr – udział objętościowy elastomeru w spęcznionym żelu. Badanie właściwości mechanicznych przy rozciąganiu wulkanizatów w kształcie

Tabela 1. Skład mieszanek elastomerowych SBR (phr – cz. wag. /100 cz. wag. kauczuku) Składniki [phr]

SBR 0

SBR 1-3

SBR 4-6

SBR 7-9

SBR

100

100

100

100

Siarka

2

2

2

2

CBS

1

1

1

1

MBT

1

1

1

1

Sadza N550

30

30

30

30

nZnO

3

3

-

-

Ciecz jonowa

-

1,5

-

-

nZnO modyfikowany cieczą jonową w rozpuszczalniku

-

-

3

5

wiosełek typu w-3, zostało wykonane za pomocą maszyny wytrzymałościowej firmy ZWICK 1435, zgodnie z normą PN-ISO 37:1998. Twardość materiałów w kształcie krążków oznaczono metodą Shore’a zgodnie z obowiązującą normą PN-ISO 868, wgłębnikiem wg normy PN-93/C-04206. Wulkanizaty zostały poddane procesowi starzenia termooksydacyjnego w temperaturze 100oC, w ciągu 7 dni. Po upływie tego czasu, ponownie zbadano gęstość usieciowania, właściwości mechaniczne i twardość wulkanizatów, a na podstawie zmian tych parametrów, określono współczynnik starzenia S, odpowiadający zmianom energii deformacji materiału na skutek starzenia (1). (TS∙Eb)(po starzeniu) S= (1) (TS∙Eb)(przed starzeniem) gdzie: TS – wytrzymałość wulkanizatów na rozciąganie [MPa]; Eb – wydłużenie względne odcinka pomiarowego przy zerwaniu [%]. Za pomocą analizatora TGA/DSC1 (Mettler Toledo), skalibrowanego przy użyciu standardowych wzorców (ind, cynk) oznaczono stabilność termiczną wulkanizatów. Wulkanizaty ogrzewano z szybkością 10oC/

min w atmosferze gazu obojętnego (argonu) w zakresie temperatury 25–600oC, a następnie w atmosferze powietrza od 600oC do 900oC. Szybkość przepływu gazów wynosiła 50 ml/min.

Wyniki badań i ich omówienie Niezależnie od sposobu wprowadzania cieczy jonowej do komopozytów elastomerowych, bezpośrednio w masie elastomeru lub w postaci osadzonej na nZnO, ich dodatek powoduje znaczne skrócenie optymalnego czasu wulkanizacji t95 – o około 50% w porównaniu do mieszanki referencyjnej bez dodatku ILs. Skrócenie czasu wulkanizacji świadczy o katalitycznym wpływie cieczy jonowych na sieciowanie i jest kluczowe z technologicznego puntu widzenia. Można wywnioskować, iż zastosowanie cieczy jonowych i nanometrycznego tlenku cynku powinno zwiększyć wydajność sieciowania, a co za tym idzie gęstość usieciowania wulkanizatów SBR. Przyrost momentu reometrycznego jest pośrednią miarą stopnia usieciowania elastomeru i zależy od struktury cieczy jonowej, a zwłaszcza rodzaju anionu. Ilość wprowadzonego nZnO (3 cz. wag.

Tabela 2. Właściwości reometryczne oraz gęstość usieciowania kompozytów SBR Mieszanki nZnO

t95 [min]

∆M [dNm]

νe ∙ 10-4 [mol/cm3]

9

15,9

8,8

nZnO modyfikowany cieczą jonową w masie elastomeru nZnO/DDAB

5

12,8

10,9

nZnO/DmiBr

5

16,4

9,8

nZnO/DmiCl

4

15,7

9,7

3 g nZnO zmodyfikowanego cieczą jonową w rozpuszczalniku nZnO/DDAB

5

13,9

10,0

nZnO/DmiBr

4

14,6

9,7

nZnO/DmiCl

4

14,6

10,4

5 g nZnO zmodyfikowanego cieczą jonową w rozpuszczalniku nZnO/DDAB

8

12,9

9,6

nZnO/DmiBr

4

14,6

10,3

nZnO/DmiCl

4

15,0

10,0

t95 – optymalny czas wulkanizacji elastomeru; ∆M – przyrost momentu reometrycznego; Ve – gęstość usieciowania

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 4/2019 l


47

materiały kompozytowe

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 4/2019 l

Tabela 3. Temperatura i entalpia wulkanizacji mieszanek SBR Mieszanki

Temperatura wulkanizacji [oC]

Entalpia wulkanizacji [J/g]

154-182

4,0

nZnO

nZnO modyfikowany cieczą jonową w masie elastomeru nZnO/DDAB

144-168

2,8

nZnO/DmiBr

143-170

2,7

nZnO/DmiCl

148-172

2,3

3 g nZnO zmodyfikowanego cieczą jonową w rozpuszczalniku nZnO/DDAB

144-168

3,4

nZnO/DmiBr

143-170

3,6

nZnO/DmiCl

148-172

3,5

5 g nZnO zmodyfikowanego cieczą jonową w rozpuszczalniku nZnO/DDAB

146-172

2,8

nZnO/DmiBr

144-171

3,0

nZnO/DmiCl

145-170

2,7

Twardość wulkanizatów jest ważnym parametrem, który określa potencjalne zastosowania takiego materiału. Twardość badanych wulkanizatów wynosi około 53– 57oShA. Tak jak się spodziewano, ciecze jonowe nieznacznie zwiększają twardość kompozytów, ale sam sposób modyfikacji

nimi nZnO nie ma istotnego wpływu na tę właściwość. Zbadano również wpływ cieczy jonowych na odporność wulkanizatów na starzenie termooksydacyjne, w oparciu o zmiany ich właściwości mechanicznych i gęstości usieciowania. Miarą ilościową

Rys. 1. Wpływ starzenia na gęstość usieciowania wulkanizatów SBR

Tabela 4. Właściwości mechaniczne wulkanizatów i współczynnik starzenia kompozytów SBR Wulkanizaty nZnO

TS [MPa]

Twardość [oSh A]

S [-]

14,2

53

0,35

nZnO modyfikowany cieczą jonową w masie elastomeru nZnO/DDAB

12,1

56

0,46

nZnO/DmiBr

11,8

57

0,51

nZnO/DmiCl

13,0

55

0,45

3 g nZnO zmodyfikowanego cieczą jonową w rozpuszczalniku nZnO/DDAB

10,0

56

0,37

nZnO/DmiBr

15,6

55

0,54

nZnO/DmiCl

15,8

56

0,49

5 g nZnO zmodyfikowanego cieczą jonową w rozpuszczalniku nZnO/DDAB

9,1

54

0,42

nZnO/DmiBr

17,1

56

0,36

nZnO/DmiCl

16,9

56

0,38

TS – wytrzymałość na rozciąganie, S – współczynnik starzenia

t

lub 5 cz. wag.) zmodyfikowanego w rozpuszczalniku cieczą jonową nie ma znaczącego wpływu na przyrost momentu reometrycznego w trakcie wulkanizacji w stosunku do mieszanki zawierającej nZnO bez cieczy jonowej. Podobny efekt daje zastosowanie nZnO zmodyfikowanego ILs bezpośrednio w masie elastomeru. Można natomiast zauważyć wpływ rodzaju cieczy jonowej na ten parametr. Mieszanki zawierające sól alkiloamoniową charakteryzują się nieco mniejszym przyrostem momentu reometrycznego w trakcie wulkanizacji w stosunku do mieszanek z solami alkiloimidazoliowymi. Niewielkie różnice w przyroście momentu reometrycznego dla poszczególnych mieszanek mogą świadczyć o tym, iż posiadają one podobny stopień usieciowania. W celu potwierdzenia katalitycznego wpływu cieczy jonowych na proces wulkanizacji została wyznaczona gęstość usieciowania wulkanizatów (tab. 2). Zastosowanie nZnO zmodyfikowanego cieczą jonową, bez względu na sposób modyfikacji, powoduje zwiększenie gęstości usieciowania w porównaniu z próbką referencyjną, co świadczy o tym, że ILs zwiększają wydajność wulkanizacji. Większy przyrost gęstości usieciowania można zaobserwować dla nZnO z cieczą jonową osadzoną na powierzchni, co może dodatkowo przeciwdziałać aglomeracji jego cząstek i tym samym zwiększać aktywność nZnO w procesie sieciowania. Zastosowanie nowych aktywatorów wulkanizacji – nZnO zmodyfikowanego cieczami jonowymi w masie lub w rozpuszczalniku, wpływa na obniżenie temperatury początku wulkanizacji nawet o 10oC (tab. 3). Układy te powodują także zredukowanie entalpii wulkanizacji nawet o 50% (w przypadku modyfikacji nZnO w masie elastomeru i w rozpuszczalniku przy zastosowaniu 3 cz. wag. zmodyfikowanego nZnO). Biorąc pod uwagę wpływ cieczy jonowych na czas, temperaturę i entalpię wulkanizacji, można stwierdzić, iż ciecze jonowe mają działanie katalityczne w procesie sieciowania SBR. Natomiast rodzaj cieczy jonowej nie wpływa na temperaturę i entalpię tego procesu. Sposób modyfikacji nZnO i rodzaj cieczy jonowej wpływa na wytrzymałość na rozciąganie wulkanizatów. Poprawę właściwości mechanicznych obserwuje się dla wulkanizatów zawierających nZnO zmodyfikowany w rozpuszczalniku solami alkiloimidazoliowymi (tab. 4). Można sądzić, że jest to efekt poprawy stopnia zdyspergowania nZnO w elastomerze. Osadzenie cieczy jonowej na powierzchni nanocząstek przeciwdziała ich aglomeracji w ośrodku elastomerowym.


48

materiały kompozytowe

odporności wulkanizatów na starzenie jest współczynnik starzenia S, związany ze zmianą ich wytrzymałości na rozciąganie i wydłużenia przy zerwaniu. Wulkanizaty SBR są podatne na starzenie termooksydacyjne, o czym świadczy współczynnik starzenia S (około 0,35 dla wulkanizatu referencyjnego). Wartość tego współczynnika wynika z pogorszenia parametrów wytrzymałościowych. Zastosowanie nZnO zmodyfikowanego cieczą jonową, szczególnie DMiBr, zwiększa odporność SBR na starzenie termooksydacyjne (tab. 4). Efekt ten jest widoczny przede wszystkim dla modyfikacji nZnO tą cieczą w masie elastomeru oraz dla wulkanizatów zawierających 3 cz. wag. nZnO zmodyfikowanego w rozpuszczalniku. Starzenie termooksydacyjne powoduje wyraźne zwiększenie gęstości usieciowania SBR (rys. 1). Użycie nZnO zmodyfikowanego cieczą jonową w rozpuszczalniku ograniczyło przyrost gęstości usieciowania wulkanizatów w stosunku do czystego nZnO, skutkując poprawą odporności na starzenie. Wpływ układu aktywującego nZnO/ ciecz jonowa na stabilność termiczną wulkanizatów SBR scharakteryzowano metodą TGA (tab. 5). Rozkład termiczny wulkanizatów SBR jest dwuetapowy. W pierwszym etapie, w gazie obojętnym następuje piroliza elastomeru oraz rozkład termiczny związków organicznych, tj. przyśpieszaczy wulkanizacji i cieczy jonowych. Następnie po zmianie gazu reakcyjnego na powietrze zachodzi spalanie sadzy użytej jako napełniacz oraz spalanie pozostałości po pirolizie elastomeru. Rodzaj aktywatora wulkanizacji nie ma istotnego wpływu na wielkość poszczególnych ubytków masy. Natomiast wulkanizaty zawierające nZnO zmodyfikowany cieczami jonowymi wykazują niższą temperaturę początku rozkładu termicznego (T05) w stosunku do wulkanizatu referencyjnego. Zmiana T05 jest najbardziej znacząca dla wulkanizatów z solą alkiloamoniową DDAB i wynosi 12–18oC. Nie obserwuje się jednak wpływu cieczy jonowych na T50, a więc temperaturę pirolizy elastomeru, co może świadczyć o tym, że obniżenie stabilności termicznej wulkanizatów zawierających ciecze jonowe może wynikać z mniejszej niż elastomeru stabilności termicznej tych cieczy. Badane wulkanizaty są stabilne termicznie do temperatury powyżej 330oC.

Wnioski Tradycyjnie jako aktywator wulkanizacji używany jest mikrometryczny ZnO w ilości 5 cz. wag. Zastąpienie standardo-

Tabela 5. Stabilność termiczna wulkanizatów SBR Wulkanizaty

T05 [oC]

T50 [oC]

Δm(25-600C) [%]

Δm(600-90 C) [%]

Pozostałość po pirolizie w 900oC [%]

nZnO

350

459

75,0

22,5

2,4

o

nZnO modyfikowany cieczą jonową w masie elastomeru nZnO/DDAB

332

457

75,5

22,3

2,2

nZnO/DmiBr

348

458

75,6

22,4

2,0

nZnO/DmiCl

358

459

74,9

22,3

2,9

3 g nZnO zmodyfikowanego cieczą jonową w rozpuszczalniku nZnO/DDAB

337

459

74,7

23,9

1,4

nZnO/DmiBr

345

460

74,6

24,0

1,4

nZnO/DmiCl

342

460

74,9

23,9

1,3

5 g nZnO zmodyfikowanego cieczą jonową w rozpuszczalniku nZnO/DDAB

333

457

74,4

23,6

2,0

nZnO/DmiBr

348

457

74,5

23,9

1,6

nZnO/DmiCl

336

458

74,5

23,7

1,8

T05 – temperatura 5% zmiany masy, T50 – temperatura 50% zmiany masy, Δm – ubytek masy próbki

wo wykorzystywanego aktywatora nanometrycznym ZnO pozwoliło na zmniejszenie jego zawartości w mieszankach SBR o ok. 50%. Zastosowanie nZnO zmodyfikowanego cieczami jonowymi nie wpłynęło znacząco na przyrost momentu reometrycznego w trakcie wulkanizacji oraz gęstość usieciowania wulkanizatów. Aplikacja nZnO zmodyfikowanego bromkiem lub chlorkiem alkiloimidazoliowym spowodowała skrócenie optymalnego czasu wulkanizacji SBR nawet o połowę, względem próbki referencyjnej, a także obniżenie temperatury i entalpii wulkanizacji. Świadczy to o katalitycznym działaniu cieczy jonowych w procesie wulkanizacji siarkowej SBR, co jest korzystne z punktu widzenia technologicznego. Ponadto zastosowanie nZnO zmodyfikowanego cieczami jonowymi skutkowało niewielkim podwyższeniem twardości wulkanizatów oraz ich odporności na starzenie termooksydacyjne. Obniżeniu uległa natomiast temperatura rozkładu termicznego SBR. Sposób modyfikacji nZnO nie miał istotnego wpływu na jego aktywność w procesie wulkanizacji, ważniejszą rolę odgrywał rodzaj zastosowanej cieczy jonowej. Sole alkiloimidazoliowe wykazywały bardziej korzystny wpływ na przebieg wulkanizacji i właściwości wulkanizatów w stosunku do bromku alkiloamoniowego.

A Review of the achievements, Journal of Applied Polymer Science, Vol (87), 2003, str. 24-30. [3] G. Heideman, J.W.M. Noordermeer, R.N. Datta, B. Van Baarle: Effect of zinc complexes as activator for sulfur vulcanization in various rubbers, Rubber Chemistry and Technology, Vol (78), 2005, str. 245-257. [4] A.M. Joseph, B. George, K.N. Madhusoosaban, R. Alex: Current status of sulphur vulcanization and devulcanization chemistry: process of vulcanization, Rubber Science, Vol (28), 2015, str. 82-121. [5] A. Chapman, T. Johnson: The role of zinc in the vulcanization of styrene butadiene rubbers, Kautschuk Gummi, Kunstoffe, Vol (58), 2005, str. 358-361. [6] P. Kubisa: Perspektywy zastosowań cieczy jonowych w chemii polimerów, Polimery, Vol (7), 2006, str. 485-490. [7] P.J. Flory, J. Rehner: Statistical Mechanics of Cross-Linked Polymer Networks, The Journal of Chemical Physics, Vol (11), 1943, str. 521-526.

Artykuł został opublikowany w czasopiśmie „Technologia i Jakość Wyrobów”, 2018, R. 63, s. 35–44.

Literatura [1] M. Akiba, A.S. Hashim: Vulcanization and crosslinking in elastomers, Progress in Polymer Science, Vol. (22), 1997, str. 475-521. [2] A.Y. Coran: Chemistry of the vulcanization and protection of elastomers:

mgr inż. Anna Sowińska dr hab. inż. Magdalena Maciejewska Politechnika Łódzka Instytut Technologii Polimerów i Barwników

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 4/2019 l


materiały kompozytowe

alucomposites 1/2 R

reklama

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 4/2019 l

49


50

technologie

Analiza i wykorzystanie dźwiękochłonnych właściwości granulatu gumowego JUDYTA NIEMIRO

Składowanie odpadów przemysłowych jest coraz większym problemem globalnym. Mamy do czynienia z powstawaniem w szczególnie dużej skali zużytych opon samochodowych. Długi proces naturalnego rozkładu gumy znacznie obciąża środowisko naturalne. Szuka się więc możliwości zwiększenia zastosowania materiałów gumowych pozyskanych z recyklingu. W pracy przedstawiono możliwości zastosowania granulatu gumowego, wykorzystując jego właściwości dźwiękochłonne. Przeprowadzono badania izolacyjności akustycznej próbek kompozytowych, których głównymi składnikami były: granulat gumowy oraz spoiwo z tworzywa sztucznego: politereftalen etylenu. Składowanie odpadów przemysłowych jest jednym z większych i szybko postępujących problemów obecnych na całym świecie. Dynamiczny rozwój motoryzacji powoduje gromadzenie się coraz większej ilości zużytych opon, których wzrost jest proporcjonalny do wzrostu ilości pojazdów mechanicznych. Do produkcji opon stosowane są mieszanki gumowe, które zawierają polimery złożone z długich łańcuchów, które ulegają biodegradacji w bardzo długim okresie czasu. Jest to znacznym obciążeniem dla środowiska naturalnego [1]. Poszukuje się więc sposobów utylizacji zużytych opon oraz ich recyklingu. W pracy przedstawiono możliwości wykorzystania granulatów gumowych pozyskanych z recyklingu odpadów i zużytych wyrobów gumowych. Szczególną uwagę poświęcono ich właściwościom dźwiękochłonnym, które pozwalają na aplikację w zabezpieczeniach wibroakustycznych, które ograniczają hałas przemysłowy i komunikacyjny. Zastosowanie gumy z recyklingu do wytwarzania m.in. ekranów dźwiękochłonnych może pomóc w zwalczaniu istniejących problemów, tj. utylizacja odpadów oraz zakłócenia hałasem [2]. W celu określenia właściwości dźwiękochłonnych oraz ocenie możliwości zastosowania przeprowadzono wstępne badania akustyczne próbek kompozytowych bazujących na granulacie gumowym pozyskanym z recyklingu. Analizę zachowania fali akustycznej propagującej w materiałach gumowych przeprowadzono w pracy [3].

Granulat gumowy Możliwość zagospodarowania zużytych opon Zużyte opony stanowią największą grupę poeksploatacyjnych wyrobów gumowych, których recykling ze względu na budowę i skład jest znacznie trudniejszy niż recykling metali, szkła czy termoplastów. Wg „Opracowania ogólnokrajowego systemu utylizacji odpadów gumowych” [4] w Polsce prognozowane zużycie opon samochodowych przedstawiono w tabeli na rys. 1. Problem zużytych opon można rozwiązywać poprzez trzy główne działania. Pierwszym z nich jest przedłużanie ich żywotności poprzez bieżnikowanie, recykling materiałowy oraz odzysk energetyczny. Opony, które nie nadają się już do bieżnikowania stają się odpadem, który w celu ochrony środowiska należy zagospodarować. Obowiązujące przepisy nakazują, aby 75% wprowadzonych na rynek opon podlegało obowiązkowi odzysku, a 15% recyklingowi [4]. Recykling materiałowy polega na wykorzystaniu odpadów i zużytych wyrobów gumowych bezpośrednio lub np. po sprasowaniu, rozdrobnieniu i regeneracji itp. [5]. Rozdrabnianie zużytych wyrobów gumowych daje możliwość dalszego przetwarzania i wtórnego zagospodarowania w zależności od rozmiaru ziaren. Rozdrobniona guma zmieszana z innymi polimerami tworzącymi spoiwo może być stosowana w produkcji m.in. różnego rodzaju wykładzin wewnętrznych i zewnętrznych. Znane

od dawna granulaty gumowe powstają w wyniku rozdrabniania odpadów gumowych: bieżników opon, ochraniaczy, membran itp. Granulat gumowy – możliwości zastosowania Granulat gumowy jest dobrze znanym materiałem i dotychczas wykorzystywanym masowo do wytwarzania nawierzchni placów zabaw, nawierzchni sportowych oraz drogowych. Możliwości ponownego wykorzystania odpadów gumowych w różnych obszarach przemysłu i budownictwa przedstawiono m.in. w pracy [6]. Obecne badania pozwalają na stwierdzenie, że materiał ten może uzyskać podobne właściwości dźwiękochłonne jak wełna mineralna. Daje to możliwość powiększenia obszaru jego zastosowania, a także staje się on konkurencyjnym materiałem dla producentów ekranów akustycznych. Materiały wykonane z granulatu gumowego mają zwykle wysoką porowatość, a w rezultacie posiadają dobre właściwości pochłaniania dźwięku [7]. Pochłanianie energii dźwiękowej odbywa się przez wnikanie jej w utworzone pory i kanaliki powietrzne. Same ziarna granulatu gumowego nie wykazują wymaganych właściwości mechanicznych. Konieczne jest zmieszanie ich z odpowiednim spoiwem i trwałe połączenie, by uzyskać stałą strukturę [8]. Parametrami głównie wpływającymi na właściwości tego rodzaju materiału są: rozmiar ziarna, typ spoiwa, jego stężenie, a także współczynnik zagęszczenia (stosunek spadku objętości po zagęszczeniu do objętości początkowej).

Rys. 1. Prognoza wytwarzania zużytych opon

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 4/2019 l


technologie

51

Rys. 3. Stanowisko badawcze – badania właściwości dźwiękochłonnych

Rys. 2. Zespół formujący próbki kompozytowe

Wszystkie te cechy wpływają na właściwości akustyczne materiału wykonanego z granulatu gumowego. Na podstawie m.in. prac [7, 9] można wywnioskować, że granulat gumowy może być również zastosowany jako rdzeń dźwiękochłonny w projektowanych przegrodach dwuściennych. Zastosowanie takiego rodzaju materiałów gumowych jako wypełnienia przestrzeni powietrznej między przegrodami zmniejsza ich grubość przy braku strat izolacji akustycznej. W pracy przedstawiono badania właściwości dźwiękochłonnych kompozytu wykonanego z granulatu gumowego wraz ze spoiwem z tworzywa sztucznego: politereftalanu etylenu, będącymi głównymi składnikami. Badania są rozszerzeniem badań przeprowadzonych w pracy [10].

one na określeniu wartości tłumienia propagującej fali dźwiękowej w badanych próbkach kompozytowych. Stanowisko złożone zostało z korpusu, umieszczonego w nim decybelomierza oraz głośnika, który emitował falę dźwiękową. Fala nadawana była w zakresie częstotliwości 50 Hz–5000 khz (rys. 3). Korpus składa się z dwóch połączonych ze sobą zestawów rur o różnej średnicy oddzielanych matą izolacyjną. Próbkę umieszczono w miejscu łączenia rur o mniejszej średnicy tak, aby była nieruchoma i prostopadle umieszczona do osi korpusu. Z lewej strony zamontowano miernik dźwięku w postaci decybelomierza, natomiast z prawej strony generator akustyczny emitujący falę dźwiękową. Fala akustyczna przepuszczana jest przez przygotowane próbki kompozytowe, które w części ją pochłaniają, a pozostała część emitowana do miernika dźwięku, gdzie odczytuje się wartość w dB.

Wyniki w zależności od przyjętego rodzaju próbek Pierwszy rodzaj kompozytów (1a) stanowi dziesięć próbek o karbowanej powierzchni, przyjmującej kształt mat dźwiękochłonnych stosowanych w ekranach akustycznych. Uziarnienie w tej grupie kompozytów wynosi 0–2,5 mm. Uzyskano następujące wartości izolacji akustycznej, rys. 4. Drugi rodzaj kompozytów (1b) stanowi również dziesięć próbek o karbowanej powierzchni, gdzie rozmiar uziarnienia granulatu gumowego wynosi 2–4 mm. Uzyskano następujące wartości izolacji akustycznej: Trzeci i czwarty rodzaj kompozytów stanowią po dziesięć próbek o płaskiej powierzchni o rozmiarze uziarnienia granulatu gumowego kolejno 0–2,5 mm (2a) oraz 2–4 mm (2b). Uzyskano wyniki, rys. 6–7. W przypadku kompozytów o powierzchni karbowanej wartość natężenia dźwięku obniża się średnio w granicach 10–30%,

Wstępne badania akustyczne próbek kompozytowych z granulatem gumowym pozyskanym z recyklingu

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 4/2019 l

Rys. 4. Wyniki izolacyjności akustycznej dla kompozytów 1a

Rys. 5. Wyniki izolacyjności akustycznej dla kompozytów 1b

t

Analizę właściwości dźwiękochłonnych przeprowadzono na 40 próbkach złożonych z granulatu gumowego pozyskanego z recyklingu opon gumowych, spoiwa oraz dodatków sieciujących. Granulat gumowy został połączony z politereftalanem etylenu o potocznej nazwie PET oraz żywicą poliestyrową. Wykonano cztery rodzaje próbek różniących się frakcją ziarna oraz powierzchnią wierzchnią. Do wykonania kompozytów użyto granulatu o dwóch frakcjach ziarna: 0–2,5 mm oraz 2–4 mm. Wykonano optymalizację ilości składników w celu uzyskania próbki walcowej o średnicy 50 mm i wysokości 10 mm. Próbki zostały wykonane w samodzielnie zaprojektowanym zespole formującym metodą prasowania (rys. 2). Udział procentowy granulatu gumowego we wszystkich kompozytach wynosił 60%. Badania właściwości izolacji akustycznej przeprowadzono na samodzielnie wykonanym stanowisku badawczym. Polegały


52

technologie

natomiast w przypadku płaskich próbek 30-50%. Wykresy poziomów natężenia dźwięku dla wszystkich badanych grup kompozytów są następujące, rys. 8. Na rys. 9 przedstawiono zestawienie wartości izolacji akustycznej dla wszystkich przebadanych próbek. Dla próbek karbowanych i próbek płaskich uzyskano duże różnice wartości izolacji akustycznej. Wyższe wartości uzyskano dla próbek o płaskiej powierzchni. Dzieje się tak dlatego, że w próbkach o powierzchni karbowanej w miejscach wklęsłych grubość próbek jest mniejsza niż grubość próbek płaskich.

Rys. 6. Wyniki izolacyjności akustycznej dla kompozytów 2a

Podsumowanie Składowanie odpadów przemysłowych jest dużym problemem na całym świecie. Recykling odpadów gumowych oraz poszukiwanie możliwości wykorzystania pozyskanych elementów jest bardzo ważnym tematem szczególnie w aspekcie ochrony środowiska. Przeprowadzone badania pokazują, że analizowane kompozyty, zawierające 60% granulatu gumowego, zarówno dla próbek o powierzchni płaskiej, jak i karbowanej wykazują dobre właściwości dźwiękochłonne. Wartość izolacji akustycznej zależna jest od grubości próbek kompozytowych. Dalsza optymalizacja kształtu, grubości oraz składu procentowego granulatu gumowego w kompozycie jest celem dalszych badań. Badania te służyć będą uzyskiwaniu coraz lepszych efektów pochłaniania dźwięku.

Literatura [1] D. Borelli, C. Schenone, I.Pittaluga: Experimental study on sound absorbing performance of rubber crumb, Proceedings of Meetings on Acoustics, 2–7 June 2013, Volume 19, 2013. [2] M.J. Swift, P. Brisï, K.V. Horoshenkov: Acoustic absorption in re-cycled rubber granulate, 2004, Applied Acoustics 65, 673–691. [3] M. Major, I. Major, J. Różycka: Zastosowanie warstwowego kompozytu gumowego w celu redukcji oddziaływań dynamicznych na konstrukcje stalowe, Budownictwo i architektura, Vol. 13 (2) Politechnika Lubelska, 2014, s. 275-282, ISSN 1899-0665. [4] Krajowy plan gospodarki odpadami 2014 (Monitor Polski z 2010 r. Nr 101, poz. 1183). [5] J. Sikora, J. Turkiewicz: Właściwości dźwiękochłonne i zastosowanie granulatów gumowych, Izolacje, nr. 1/2012, s. 54–58. [6] M. Major, I. Major: Wykorzystanie odpadów gumowych w budownictwie

Rys. 7. Wyniki izolacyjności akustycznej dla kompozytów 2b

Rys. 8. Poziom natężenia dźwięku dla badanych kompozytów

zrównoważonym, in: Budownictwo o zoptymalizowanym potencjale energetycznym, nr 2(14) 2014, s.38-45, Częstochowa 2014, ISSN 2299-8535. [7] J. Sikora, J. Turkiewicz: Przegrody dwuścienne z rdzeniami dźwiękochłonnymi z materiałów ziarnistych, Izolacje, nr 10/2007, s. 28–33. [8] F. Asdrubali, F.D’alessandro, S. Schiavoni: Sound absorbing properties of materials made of rubber crumbs, Journal of the Acoustical, 2008, Paris, France. [9] J. Sikora, J. Turkiewicz: Charakterystyki pochłaniania dźwięku materiałów ziarnistych, Izolacje, nr 9/2010, s. 26–30. [10] I. Major, J. Różycka: Propagation of the surface of discontinuity in the hyperelastic materials, 2014, Advanced Materials Research, 1020: 188-192.

Rys. 9. Wartość izolacji akustycznej dla badanych kompozytów

Artykuł został opublikowany w Zeszytach Naukowych Politechniki Częstochowskiej, Budownictwo, 2016, Z. 22 (172), s. 257–264.

mgr inż. Judyta Niemiro Politechnika Częstochowska

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 4/2019 l


technologie

53

Czynniki materiałowe oddziałujące na jakość odlewów z kompozytów metalowo-ceramicznych

Jakość odlewów z kompozytów metalowo-ceramicznych KATARZYNA GAWDZIŃSKA, PIOTR BIELAWSKI, KATARZYNA BRYLL, EWELINA KOSTECKA

Zagadnienie kształtowania jakości wyrobu, jakim jest odlew kompozytowy może odbywać się w oparciu o analizę jego produktów wyjściowych, a także z wykorzystaniem badań niszczących i nieniszczących. Zastosowanie niewłaściwych, słabej jakości substratów przyczynić się może do powstawania nieprawidłowości w całym etapie procesu technologicznego, a także podczas eksploatacji wyrobu. W pracy określono czynniki materiałowe wpływające na jakość tych materiałów wraz ze wskazaniem ich skutków z wykorzystaniem wybranych metod badawczych.

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 4/2019 l

Czynniki materiałowe oddziałujące na jakość odlewów Materiał na odlewy (rys. 2) powinien być przygotowany zgodnie z instrukcjami lub normami obowiązującymi dla danej grupy materiałów [5–6].

Rys. 1. Kompozyty metalowe: a) mikrostruktura kompozytu AlSi9/ SiC, różnorodne wymiary i kształt cząstek zbrojenia (SE M); b) ciało obce w zbrojeniu; zanieczyszczenie sferyczne (skład chemiczny Al, Si, Sr, Fe) w kompozycie: włókno glinokrzemianowe – osnowa AlSi11 (SE M)

Rys. 2. Podział stopów odlewniczych [6]

t

Dobrą jakość wyrobu może potwierdzić przede wszystkim odbiorca. Producent zaś jest zobowiązany stworzyć dobry wyrób, tzn. taki, który zaspokaja potrzeby użytkownika. Wyrób ten należy poddać kontroli. Kontrola jakości, według definicji [1], jest to sprawdzenie zgodności wykonania wyrobu z przewidzianymi dla niego wymaganiami. Dokumenty związane z zakupami niezbędnych materiałów dla odlewni do wytwarzania odlewów (zarówno surowców głównych, tj. surówki, żelazostopów, faza zbrojąca, jak i pomocniczych, np. dodatków stopowych, modyfikatorów, topników, zapraw, piasków formierskich, spoiw, utwardzaczy) powinny określać rodzaj, typ, klasę, odmianę produktu oraz jednoznaczny opis identyfikacji wraz z określeniem odpowiednich wymagań transportu, składowania, przechowywania w celu zapewnienia ich przydatności. Wskazane jest, aby wszystkie surowce były oznakowane i posiadały stosowne etykiety, certyfikaty. Materiały te muszą spełniać określone wymagania, które są szeroko opisane i znormalizowane [2-4]. Ważne jest, aby były one zakupione u stałych, sprawdzonych, solidnych dostawców. Niedopełnienie tych zaleceń może skutkować różnymi wadami, np. niejednakowymi wielkościami fazy zbrojącej lub zanieczyszczeniami struktury odlewu, których przykład (w odniesieniu do odlewów kompozytowych) pokazano na rysunku 1.

Wykrywanie tych wad odbywać może się z wykorzystaniem mikroskopii świetlnej lub elektronowej skaningowej, defektoskopii radiologicznej lub ultradźwiękowej, a także tomografii komputerowej.


54

technologie

Właściwości stopów związane z ich stanem ciekłym, tj. lejność, skurcz odlewniczy, skłonność do pochłaniania gazów (powodująca pojawianie się porowatości, rys. 3), powstawanie wtrąceń niemetalicznych, w istotny sposób mogą przyczynić się do zapewnienia jakości gotowego wyrobu [1]. Wykrywanie tych wad odbywać się może z wykorzystaniem mikroskopii świetlnej lub elektronowej skaningowej, defektoskopii radiologicznej (rys. 4) lub ultradźwiękowej, a także emisji akustycznej, porozymetrii rtęciowej, tomografii komputerowej. W przypadku odlewów kompozytowych materiały te stanowią osnowę wyrobu i podlegają zasadom obowiązującym dla klasycznych stopów odlewniczych. Ważne jest jednak, aby w przypadku kompozytów mogło dojść do dobrego, wzajemnego połączenia między metalem (lub stopem) – jako osnową i zbrojeniem, bowiem warunkuje to powstanie kompozytu. Do oceny jednorodności struktury może być przydatna defektoskopia ultradźwiękowa. Ciągłość struktury materiału kompozytowego obrazuje rys. 5. Osnowa zatem musi mieć odpowiednie cechy istotne dla pracy kompozytu: gęstość, wytrzymałość, plastyczność, przewodność cieplną i elektryczną, temperaturę pracy, odporność korozyjną i właściwości magnetyczne. Spełnia ona następujące zadania [1–2, 7]: 1) spaja zbrojenie; 2) umożliwia przenoszenie naprężeń na zbrojenie; 3) decyduje o właściwościach chemicznych i cieplnych kompozytu; 4) nadaje żądany kształt wyrobom. Jako osnowę metalową stosuje się najczęściej stopy (w tabeli 1 przedstawiono wybrane właściwości tych materiałów): aluminium, magnezu, tytanu, ołowiu, cynku, srebra, niklu i miedzi. Stopy te można podzielić na cztery grupy [7–8]: 1) stopy metali lekkich (Al, Mg) – dzięki niskiej gęstości właściwej, niskiej temperaturze topnienia i stosunkowo łatwej technologii przeznaczone są do wytwarzania kompozytów stosowanych w lotnictwie i przemyśle samochodowym; 2) stopy srebra i miedzi – są osnową kompozytów wykazujących dobre właściwości cieplne i elektryczne; 3) stopy niklu – stanowią osnowę kompozytów żarowytrzymałych wytwarzanych najczęściej w procesach kierunkowej krystalizacji (łopatki turbin); 4) stopy ołowiu i cynku – to osnowy kompozytów o dobrych właściwościach ślizgowych. Duży wpływ na jakość odlewów (tak w przypadku odlewów z materiałów klasycznych, jak i odlewów kompozytowych)

Rys. 3. Wyraźnie widoczne nieciągłości (porowatość) – kolor biały: a) w strukturze obszaru badanego materiału; b) rozkład przestrzenny porowatości w makroobszarze odlewu na podstawie badań tomograficznych, kompozyt: zbrojenie – włókno węglowe, osnowa – AlSi11

Rys. 4. Rzadzizny; kompozyt: zbrojenie – włókno glinokrzemianowe, osnowa: AlSi11; a – struktura kompozytu (badania makroskopowe), b – ten sam kompozyt – obraz cyfrowy z radiogramu (defektoskopia radiologiczna)

Rys. 5. Zależność prędkości rozchodzenia się fali (a) i współczynnika tłumienia (b) od gęstości materiału kompozytowego

Rys. 6. Podział zanieczyszczeń ciekłego metalu ze względu na ich rodzaj i postać występowania [6]

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 4/2019 l


55

technologie mają zanieczyszczenia ciekłego metalu lub stopu (osnowy w przypadku odlewów kompozytowych). Zanieczyszczenia te można podzielić w sposób pokazany na rysunku 6. Zanieczyszczeniami są wszystkie pierwiastki i związki znajdujące się w ciekłym metalu wbrew zamierzeniom technologicznym [6, 9–10]. Przedostają się one do metalu różnymi drogami. Źródła zanieczyszczeń ciekłego metalu przedstawiono na rysunku 7. Jeżeli nie zostaną usunięte zanieczyszczenia w procesie metalurgicznym, a także w wyniku procesów fizykochemicznych zachodzących pomiędzy metalem a otaczającym go ośrodkiem, może się zmieniać początkowy skład chemiczny metalu lub stopu (osnowy) oraz ilość zanieczyszczeń. Ma to również wpływ na przebieg krzepnięcia i właściwości skrzepłego metalu. Właściwa jakość wsadu jest pierwszym z czynników zapewniających odpowiednie parametry metalu (lub stopu), a w kompozytach: osnowy. W przypadku odlewów kompozytowych należy omówić jeszcze materiał zbrojący. Zbrojenie musi mieć następujące właściwości: odpowiednią gęstość, wytrzyma-

Rys. 7. Źródła zanieczyszczeń ciekłego metalu [6]

łość, sztywność, rozszerzalność cieplną, zdolność tworzenia właściwego połączenia z osnową, odporność na destrukcyjne działanie metalu osnowy, stabilność właściwości wytrzymałościowych i brak przemian fazowych w temperaturze pracy. Właściwości niektórych materiałów stosowanych na zbrojenie przy wytwarzaniu odlewów kompozytowych przedstawiono w tabeli 2. Zbrojenie oddziałuje zazwyczaj

tylko fizycznie na osnowę i ma następujące zadania: 1) poprawia określone właściwości mechaniczne i (lub) użytkowe wyrobu; 2) niekiedy zmniejsza koszt wsadu surowcowego (dotyczy to napełniaczy proszkowych). Najczęściej stosowane materiały na zbrojenie, to: bor, węgiel (grafit), ceramika (SiC, Al2O3), B4C, Si3N4, AlN, TiC, TiB2 i stal.

Tabela 1. Właściwości fizyczne i mechaniczne metali oraz niektórych stopów stosowanych na osnowy materiałów kompozytowych [8] Materiał

Ciężar właściwy g/cm3

Temp. topnienia °C

Moduł Współczynnik sprężystości Poissona GPa

Wytrzymałość na rozciąganie MPa

Twardość HB

Rozszerzalność cieplna α 10-6/K

Przewodność cieplna λW/ (m*K)

Al

2,70

660

75

0,35

70–190

15–20

26,2

201

AlSi11

2,6

577

7

0,35

10

55

20,1

174

AlCu4T

2,71

650

7

0,35

330

90

25,4

125

Mg

1,74

649

0,40

250

35

26,0

134

Ti

4,40

1670

100

0,33

550

260

8,6

19,3

Ag

10,5

960

0

125

25

1,7

423

Pb

11,3

327

15,9

0,50

12 3

2,5

34,9

Zn

7,1

419

0,35

12–16

33–35

13,0/63,0

129

Ni

8,9

1452

0,3

440

90

13,0

92

Materiał

Temperatura topnienia K

Gęstość kg/m3

Ciepło właściwe kJ/(kgK )

Współczynnik przewodności cieplnej W/(mK)

Mikrotwardość HV

Współczynnik rozszerzalności cieplnej α 10-6/K

MgO

350

3073

2,09

34,2

9–11

15,6

Al2O3

3970

2327

1,09

30,2

10–12

5,4

TiO2

4240

2113

0,4

6,3

7–19

10

SiO2

2320

2011

0,75

1,7

7,5–12

7,5

ZrO2

5560

2900

0,46

1,6

16

7–10

SiC(β

3200

1,0

45–450

21–37

3

TiC

4900

3140

0,42

36

1–32

7,4–9,3

C (grafit)

2250

1,63

11,6–175

BN(α)

2270

3023

0,92

14,3

0

0,2

Si3N4

310

1900

4

7

33

2,75

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 4/2019 l

t

Tabela 2. Właściwości niektórych materiałów stosowanych na zbrojenie [7]


56

technologie

Podsumowanie Ocena jakości gotowych odlewów z materiałów klasycznych i odlewów z kompozytów metalowo-ceramicznych może być przeprowadzona przy wykorzystaniu różnorodnych metod niszczących i nieniszczących. W tabeli 3 wskazano podstawowe metody badawcze stosowane do opisu struktury odlewów z metalowych materiałów kompozytowych. Szczegółowy opis tych metod został przedstawiony w pracach autorów [3, 7, 11] W niniejszym artykule zaprezentowano tylko częściowy opis tych metod ze względu na ograniczenia edytorskie. W dalszych pracach autorzy skoncentrują się nad kompleksową diagnostyką omawianych tworzyw, co będzie przedstawione w kolejnych artykułach.

Literatura [1] J. Sobczak: Teoretyczne i praktyczne podstawy procesu prasowania w stanie ciekłym (squeeze casting) metali nieżelaznych. Prace Instytutu Odlewnictwa nr 41, Kraków 1993. [2] Z. Konopka: Metalowe kompozyty odlewane. Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2011. [3] K. Gawdzińska: Materiałowo-technologiczne uwarunkowania jakości odlewów z metalowych materiałów kompozytowych. Archives of Foundry Engineering, Komisja [4] Odlewnictwa PAN, Katowice–Gliwice 2012.

Tabela 3. Metody badawcze służące do opisu struktury odlewów z metalowych materiałów kompozytowych Metody nieniszczące

Metody niszczące Mikroskopia świetlna

Defektoskopia radiologiczna

Mikroskopia konfokalna Mikroskopia elektronowa skaningowa Mikroskopia sił atomowych

Defektoskopia ultradźwiękowa

Mikroanaliza rentgenowska

Tomografia komputerowa

Porozymetria rtęciowa

Emisja akustyczna

Dyfrakcja rentgenowska

[5] J. Sobczak, N. Sobczak, R. Asthana, A. Wojciechowski, K. Pietrzak, D. Rudnik: Atlas of cast metal-matrix composites structures. Motor Transport Institute – Warsaw & Foundry Research Institute – Cracow, 2007. [6] J. Sobczak, N. Sobczak, A. Wojciechowski, K. Pietrzak, D. Rudnik: Atlas struktur kompozytów metalowych. Wydawnictwo Instytutu Transportu Samochodowego, Warszawa 2004. [7] K. Gawdzińska, L. Chybowski, W. Przetakiewicz: Study of Thermal Properties of Cast MetalCeramic Composite Foams. Archives of Foundry Engineering 17, 4, 2017, 44–50. [8] W. Łybacki, A. Modrzyński, M. Szweycer: Technologia topienia metali. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 1986. [9] W. Łybacki, K. Zawadzka: Wspomaganie diagnostyki wad odlewów narzędziami zarządzania jakością. Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 28 (1), 2008, 89–101.

[10] M. Szweycer: Metalurgia. Skrypt nr 1735. Politechnika Poznańska, Poznań 1993. [11] K. Gawdzińska, J. Grabian, J. Pędzich, W. Przetakiewicz: Description of selected structural elements of composite foams using statistical methods. Archive of Foundry Engineering 11, Special Issue 2, 2011, 53–58.

Artykuł został opublikowany w czasopiśmie „Badania Nieniszczące i Diagnostyka”, nr 4 (2018), s. 65–68.

prof. dr hab. Katarzyna Gawdzińska prof. dr hab. inż. Piotr Bielawski dr inż. Katarzyna Bryll mgr inż. Ewelina Kostecka Akademia Morska w Szczecinie

Sandvik zaprezentował pierwszy kompozyt diamentowy podczas RAPID+TCT Sandvik zaprezentował podczas tegorocznych targów RAPID + TCT pierwszy kompozyt diamentowy, którym można drukować 3D. Wykorzystując stereolitografię (SLA), naukowcy z działu produkcji addytywnej Sandvik stworzyli zawiesinę złożoną z proszku diamentowego i polimeru do druku 3D. Materiał został przetestowany i zachowuje fizyczne właściwości czystego diamentu, który jest uważany za najtwardszy materiał na świecie. Zespół Sandvik Additive Manufacturing dostrzegł jego potencjał w zaawansowanych sektorach, takich jak przemysł lotniczy i samochodowy. – W przeszłości drukowanie 3D diamentem było czymś, czego nikt z nas sobie nie wyobrażał. Teraz dopiero zaczynamy rozumieć możliwości i zastosowania, które

może przynieść ten przełom – powiedział Anders Ohlsson, kierownik ds. dostaw w Sandvik Additive Manufacturing. – Zaczęliśmy się zastanawiać, co jeszcze byłoby możliwe w drukowaniu 3D skomplikowanych kształtów w materiale, który jest 3 razy sztywniejszy niż stal, o przewodności cieplnej wyższej niż miedź, a rozszerzalno-

ści cieplnej zbliżonej do inwaru i o gęstości zbliżonej do aluminium – mówi A. Ohlsson. – Pomimo tych właściwości, kompozytowy wydruk 3D nie zachowuje połysku naturalnego diamentu – dodał A. Ohlsson. informacja prasowa

Źródło: 3dprintingindustry.com

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 4/2019 l


Profile for Tworzywa

Materiały Kompozytowe 4/2019  

kwartalnik techniczno-informacyjny

Materiały Kompozytowe 4/2019  

kwartalnik techniczno-informacyjny

Advertisement