Zbog rastućih regulatornih zahtjeva, dobavljači proizvodnih tehnologija širom svijeta suočavaju se s izazovom integracije učinkovitih i ekološki prihvatljivih materijala. Koja rješenja već postoje, bit će prikazana na EMO Hannover 2025, svjetskom sajmu proizvodne tehnologije, od 22. do 26. rujna. Posebno su metala pjene i zamjenske tvari za per- i polifluorirane alkilne tvari (PFAS) u fokusu.
Metalske pjene pomažu u stvaranju strojeva koji su učinkovitiji, lakši i istovremeno stabilniji. Visoko porozni materijal ima – slično svojim prirodnim uzorima kostima ili drvetu – staničnu strukturu koja može apsorbirati energiju u obliku vibracija, udaraca ili zvuka.
Kako peći kruh
Aluminijska pjena može se proizvesti postupkom koji u načelu nalikuje pečenju kruha. Uzmite prah, sredstvo za pjenjenje i toplinu, i aluminijska pjena je gotova. Međutim, proizvodnja ovog visokotehnološkog materijala u detaljima je nešto složenija. „Za proizvodnju aluminijskih pjena miješaju se prah legure aluminija i prah sredstva za pjenjenje, obično se prethodno kompaktnim oblikovanjem kroz aksijalno prešanje, a zatim se putem ekstruzije kondenziraju u pjenaste profile“, objašnjava Carsten Lies, voditelj odjela za funkcionalno integriranu laganu konstrukciju na Fraunhofer institutu za alatne strojeve i preoblikovanje (IWU) u Chemnitzu. „Za proizvodnju aluminijskih pjenastih sendviča, rezani, pjenasti aluminijski profili postavljaju se između dva pokrovna lima koja su postavljena na udaljenosti jedan od drugog“, opisuje inženjer daljnji proizvodni proces.
U sljedećoj toplinskoj obradi, pjenasto aluminij se širi višestruko. Nastala pjena čvrsto se povezuje s dva pokrovna lista u sendviču. Nakon hlađenja, sendvič se reže na konačne dimenzije. "Metalne pjene, posebno aluminijske pjene, prvenstveno se koriste kao jezgra u sendvičima", objašnjava Lies. Njihovi pokrovni listovi obično su izrađeni od čelika ili aluminija. "Pokrovni slojevi preuzimaju opterećenja, dok jezgra održava listove konstantno na udaljenosti", objašnjava istraživač iz Fraunhofer instituta posebne osobine ovog visokotehnološkog materijala. Veza između pokrovnih slojeva i jezgre obično se ostvaruje u metalnom spoju.
Zračno, lagano i kruto: Sendvič s pjenastim punjenjem
„Sendviči, ovisno o konstrukciji, imaju vrlo visoku krutost na savijanje. Ovaj efekt se koristi za lakše oblikovanje sklopova, dok se održava ili čak poboljšava krutost sklopova“, kaže Lies. Oni zamjenjuju masivne elemente konvencionalnog sklopa. Ovisno o kriteriju optimizacije, prema istraživaču, mogu se postići značajne uštede težine pri istoj krutosti (do oko 30 posto) ili značajna povećanja krutosti pri istoj težini. Konkretne prednosti korištenja metalne pjene u stroju s obzirom na učinkovitost i održivost su, prema Liesu, „značajno poboljšano prigušenje zahvaljujući jezgri od pjene i značajne uštede težine korištenjem sendviča“.
Pozitivno za ekološku bilancu je i to što se metalne pjene mogu lako reciklirati. "Budući da se za proizvodnju sendviča ne koristi ljepilo, materijal se može uključiti u postojeće cikluse za obradu metalnog otpada od čelika i aluminija", kaže istraživač iz Chemnitza.
Precizno iz 3D pisača
Dijelovi od metalne pjene – ili preciznije, dijelovi od hibridnih poroznih (HyPo-)materijala – mogu se također proizvoditi putem 3D ispisa. Prednost aditivno proizvedene metalne pjene: Zračne komore se mogu precizno rasporediti. Tako proizvedeni dijelovi mogu se optimizirati za specifične primjene, jer gradirana postavka porozne strukture unutar dijela omogućava više opcija nego zračne mjehuriće u metalu, koji se formiraju tijekom pjenjenja plinom. Tako se u 3D pisaču mogu precizno izraditi komponente strojeva s točno definiranim svojstvima.
„Teško je ili gotovo nemoguće postići gradiranu postavku porozne strukture i svojstvenih profila u monolitno proizvedenom materijalu, jer ili proces proizvodnje ili daljnja obrada do konačne geometrije dijela ne odgovaraju konačnim zahtjevima opterećenja“, objašnjava Thomas Hassel s Instituta za materijale Sveučilišta Leibniz u Hannoveru (LUH). Aditivna proizvodnja omogućava, ističe doktor inženjer, „proizvodnju blizu konačnog oblika“ dijelova i istovremeno na odgovarajućim mjestima unosi gradaciju „na način da se ona točno pozicionira u zahtjevnom profilu“.
Koje konkretne primjene postoje u konstrukciji alatnih strojeva i kako inovativni materijal može pomoći u povećanju učinkovitosti i održivosti u tvornici predmet je istraživanja. U fokusu su komponente alatnog stroja (mjenjač alata, držač alata, klizna osovina vretena) u pogledu njihove krutosti, prigušenja, termoelastičnog ponašanja, neravnoteže, kao i tvrdoće i kvalitete površine, objašnjava Hassel. Istražuje se, na primjer, implementacija HyPo komponenti u glodalici kako bi se utvrdile prednosti koje proizlaze iz gradiiranih komponenti. „Pri tome će se analizirati radno ponašanje tijekom obrade, budući da glodanje obuhvaća širok spektar različitih opterećenja“, kaže Hassel. „Time će biti moguće odrediti utjecaj HyPo komponente na mehanička i termička svojstva stroja te značajno poboljšati performanse takvih strojeva.“
Zamjena za kemikalije vječnosti
Veća održivost kroz lagane materijale jedan je od mnogih pristupa za poboljšanje ekološke bilance u industrijskoj proizvodnji. U međuvremenu, sve više se pažnja usmjerava na ekološki prihvatljive alternative za takozvane vječne kemikalije. U fokusu su, između ostalog, štetne per- i polifluorirane alkilne tvari (PFAS), koje se u proizvodnji koriste posebno tamo gdje vladaju ekstremni uvjeti: visoke temperature, jaka abrazija ili agresivni kemijski uvjeti. PFAS se, između ostalog, nalaze u brtvama, cijevima ili armaturama.
Je li moguća supstitucija PFAS-a, treba procijeniti "individualno ovisno o slučaju primjene i ne može se generalno odgovoriti", kaže Frank Schönberger, voditelj odjela za sintezu i formulaciju na Fraunhofer institutu za čvrstoću materijala i pouzdanost sustava LBF iz Darmstadta. "Zamjena fluoropolimera 1:1 obično nije moguća, već uvijek ovisi o individualnim zahtjevima svake primjene."
Postoje slučajevi u kojima se fluoropolimer može zamijeniti drugim visokoučinkovitim polimerom (kao što su PEEK, PEI ili PPS) ovisno o zahtjevima, na primjer kada su temperaturni i medijski zahtjevi umjereni ili u području triboloških spojeva. "Ali postoje i područja primjene u kojima složeni zahtjevi - prema današnjem stanju - ne mogu zadovoljiti ni materijali", ograničava istraživač. "Fluoropolimeri imaju gotovo univerzalnu kemijsku otpornost i visoku otpornost na temperaturu. U primjenama gdje je to zahtijevano, kao u pumpama ili postrojenjima koja moraju izdržati različite medije pod različitim uvjetima, fluoropolimeri se do sada ne mogu zamijeniti", rezimira Schönberger i dodaje: "Mogućnosti se mogu pojaviti u primjenama gdje puni potencijal fluoropolimera nije potreban i u situacijama gdje je, na primjer, moguća redizajn."
Supstitucija PFAS-a također je relevantna za SAD
Prema Schönbergeru, zamjena PFAS-a također je relevantna za tržišta izvan Europe, posebno u SAD-u. Osim toga, u Sjedinjenim Američkim Državama postoje regulative koje djelomično ovise o pojedinim saveznim državama. To također pokazuje: Veća održivost u proizvodnoj tehnologiji globalni je izazov na koji se mora reagirati u tvornicama svih industrijskih nacija.
Autor: Daniel Schauber
Kontakt:
