A növekvő szabályozási követelmények miatt a gyártástechnikai szolgáltatók világszerte azon kihívással néznek szembe, hogy hatékony és környezetbarát anyagokat integráljanak. Milyen megoldások állnak már rendelkezésre, azt az EMO Hannover 2025-ön, a gyártástechnológia világkiállításán, szeptember 22. és 26. között lehet megtekinteni. Különösen a fémhabok és a per- és polifluorozott alkilvegyületek (PFAS) helyettesítő anyagai kerülnek a figyelem középpontjába.
A fémhabok segítenek a gépek hatékonyabb, könnyebb és egyben stabilabb kialakításában. A nagy porozitású anyag – hasonlóan természetes megfelelőihez, mint a csont vagy a fa – sejtes szerkezettel rendelkezik, amely képes energiát elnyelni rezgés, ütés vagy hang formájában.
Hogyan süssünk kenyeret
Az alumíniumhab egy olyan eljárásban készíthető, amely alapvetően hasonlóan zajlik, mint a kenyérsütés. Vegyünk porokat, hajtóanyagot és hőt, és kész is az alumíniumhab. A high-tech anyag előállítása azonban részleteiben kissé bonyolultabb. „Az alumíniumhabok előállításához alumíniumötvözet és hajtóanyag porát keverjük össze, általában axiális préseléssel előkompaktáljuk, majd szálpréseléssel habosítható szálakká sűrítjük” - magyarázza Carsten Lies, a Fraunhofer Szerszámgép- és Formázástechnikai Intézet (IWU) funkcionálisan integrált könnyűépítési osztályának vezetője Chemnitzben. „Az alumíniumhab-szendvicsek előállításához vágott, habosítható alumíniumszálakat helyezünk el két, egymástól távolságra elhelyezett fedőlemez között” - részletezi tovább a mérnök a gyártási folyamatot.
A következő hőkezelés során a habosítható alumínium többszörösére tágul. A keletkező hab szorosan összekapcsolódik a két fedőlemezzel, így egy szendvicset alkot. A lehűlés után a szendvicset a végső méretekre vágják. „A fémhabok, különösen az alumíniumhabok, elsősorban szendvicsekben, mint maganyag kerülnek felhasználásra“ - magyarázza Lies. A fedőlemezek általában acélból vagy alumíniumból készülnek. „A fedőrétegek a rájuk ható terheléseket felveszik, a mag pedig állandó távolságot tart a lemezek között“ - magyarázza a Fraunhofer-kutató a high-tech anyag különleges tulajdonságait. A fedőrétegek és a mag közötti kapcsolat általában fémes anyagkapcsolaton alapul.
Levegős, könnyű és merev: Habtöltésű szendvics
„A szendvicsek a kialakítástól függően nagyon magas hajlítószilárdsággal rendelkeznek. Ezt a hatást arra használják, hogy a szerelvényeket könnyebbé tegyék, miközben megőrzik vagy akár javítják a szerelvény szilárdságát“ – mondja Lies. Ezek helyettesítik a hagyományos szerelvény masszív elemeit. Az optimalizálási kritériumtól függően, mondja a kutató, vagy jelentős súlycsökkentést lehet elérni azonos szilárdság mellett (akár 30 százalékig), vagy azonos súly mellett jelentős szilárdságnövekedést lehet elérni. Lies szerint a fémhab gépben történő alkalmazásának konkrét előnyei tehát „jelentősen javított rezgéscsillapítás a habmag miatt és jelentős súlycsökkentés a szendvicsek használatával“.
A környezeti mérleg szempontjából pozitív, hogy a fémhabok problémamentesen újrahasznosíthatók. „Mivel a szendvicsgyártáshoz nem használnak ragasztót, az anyag beilleszthető a meglévő acél- és alumíniumhulladék feldolgozási ciklusokba” – mondja a chemnitzi kutató.
Pontosan a 3D nyomtatóból
Fémhabból készült alkatrészek – pontosabban hibrid porózus (HyPo-) anyagokból készült alkatrészek – 3D nyomtatással is előállíthatók. Az additív módon gyártott fémhab előnye: a légkamrák pontosan elhelyezhetők. Így előállított alkatrészek speciális alkalmazásokhoz optimalizálhatók, mivel az alkatrész belsejében lévő pórusstruktúra fokozatos beállítása több lehetőséget kínál, mint a fémben képződő légbuborékok, amelyek gázos habzás során keletkeznek. Így a 3D nyomtatóban gépelemek precízen és pontosan meghatározott tulajdonságokkal készülhetnek.
„A pórusstruktúra és a tulajdonsági profilok fokozatos beállítása monolitikus anyagban nehezen vagy egyáltalán nem lehetséges, mivel vagy a gyártási folyamat, vagy a további feldolgozás a végső alkatrészgeometria eléréséig nem felel meg a terhelés végső követelményeinek“ – magyarázza Thomas Hassel, a Hannoveri Leibniz Egyetem Anyagtudományi Intézetének munkatársa. Az additív gyártás lehetővé teszi, ahogyan a doktori fokozattal rendelkező mérnök hangsúlyozza, az alkatrészek „végső kontúrnál közeli gyártását“, miközben a megfelelő helyeken a fokozatosságot „úgy lehet bevinni, hogy az pontosan a követelményprofilban legyen elhelyezve“.
Milyen konkrét alkalmazások léteznek a szerszámgépgyártásban, és hogyan segíthet az innovatív anyag a gyár hatékonyságának és fenntarthatóságának növelésében, az a kutatás tárgya. A fókuszban a szerszámgép komponensei (szerszámváltó, szerszámtartó, orsószán) állnak, figyelembe véve azok merevségét, csillapítását, thermoelasztikus viselkedését, egyensúlytalanságát, valamint keménységét és felületi minőségét, magyarázza Hassel. A HyPo-alkatrészek például egy marógépben történő implementálásával azt kutatják, hogy milyen előnyöket nyújtanak a gradiens alkatrészek. „A cél az, hogy a megmunkálás során elemezzük a működési viselkedést, mivel a marási folyamat széles spektrumú különböző terhelési eseteket ölel fel,” mondja Hassel. „Ezáltal lehetővé válik a HyPo-alkatrész hatásának meghatározása a mechanikai és hőtechnikai gép tulajdonságaira, és jelentősen javítani a hasonló gépek teljesítményét.”
Helyettesítő anyagok az örök vegyi anyagok számára
Több fenntarthatóság a könnyűszerkezetes anyagok révén az ipari termelés környezeti mérlegének javításának egyik sok megközelítése. Különösen a környezetbarát alternatívák is egyre nagyobb figyelmet kapnak a úgynevezett örök vegyi anyagokkal kapcsolatban. A középpontban többek között a környezetszennyező per- és polifluorozott alkilvegyületek (PFAS) állnak, amelyek a gyártás során különösen ott használatosak, ahol szélsőséges körülmények uralkodnak: magas hőmérséklet, erős kopás vagy agresszív kémiai körülmények. A PFAS többek között tömítésekben, csövekben vagy szerelvényekben találhatóak.
Hogy lehetséges-e a PFAS helyettesítése, az alkalmazási esettől függően "egyénileg értékelendő, és nem lehet általánosan megválaszolni" - mondja Frank Schönberger, a Darmstadti Fraunhofer Intézet Szintézis és Formulációs Osztályának vezetője. "A fluorpolimerek 1:1-es helyettesítése általában nem lehetséges, hanem mindig az adott alkalmazás egyéni követelményeitől függ."
Vannak olyan esetek, amikor egy fluorpolimert a követelményeknek megfelelően egy másik nagy teljesítményű polimere (például PEEK, PEI vagy PPS) lehet helyettesíteni, például ha a hőmérsékleti és közegkövetelmények mérsékeltek, vagy tribológiai vegyületek területén. "De vannak olyan alkalmazási területek is, ahol a komplex követelmények - a mai állás szerint - egyetlen más anyag által sem teljesíthetők" - szűkíti le a kutató. "A fluorpolimerek széleskörű kémiai ellenállósággal rendelkeznek, és magas hőmérséklet-ellenállóságot mutatnak. Olyan alkalmazásokban, ahol ez szükséges, mint például szivattyúkban vagy olyan berendezésekben, amelyek különböző közegnek különböző körülmények között ellenállnak, a fluorpolimerek eddig nem helyettesíthetők" - összegzi Schönberger, és hozzáteszi: "Lehetőségek adódhatnak olyan alkalmazásokban, ahol a fluorpolimerek teljes potenciálja nem szükséges, és olyan helyzetekben, ahol például redesign lehetséges."
A PFAS helyettesítése az Egyesült Államok számára is releváns
Schönberger szerint a PFAS helyettesítése a világpiacok számára is releváns, különösen az Egyesült Államokban. Ezenkívül az Egyesült Államokban részben az egyes államoktól függő szabályozások is léteznek. Ez is azt mutatja: A gyártástechnika fenntarthatósága globális kihívás, amelyre az ipari országok gyáraiban reagálni kell.
Szerző: Daniel Schauber
Kapcsolat:
