Z powodu rosnących wymagań regulacyjnych dostawcy technologii produkcji na całym świecie stają przed wyzwaniem integracji wydajnych i przyjaznych dla środowiska materiałów. Jakie rozwiązania już istnieją, będzie można zobaczyć na targach EMO Hannover 2025, które są światowymi targami technologii produkcji, w dniach od 22 do 26 września. Szczególnie w centrum uwagi znajdują się pianki metalowe oraz substytuty dla per- i poli-fluorowanych substancji alkilowych (PFAS).
Metalowe pianki pomagają w tworzeniu maszyn bardziej efektywnych, lżejszych i jednocześnie stabilniejszych. Wysoko porowaty materiał ma – podobnie jak jego naturalne odpowiedniki, kości czy drewno – strukturę komórkową, która potrafi absorbować energię w postaci drgań, uderzeń lub dźwięku.
Jak piec chleb
Pianka aluminiowa może być wytwarzana w procesie, który zasadniczo przebiega podobnie jak pieczenie chleba. Należy wziąć proszek, środek spieniający i ciepło, a gotowa jest pianka aluminiowa. W szczegółach produkcja tego materiału wysokotechnologicznego jest jednak nieco bardziej skomplikowana. „Do produkcji pianek aluminiowych miesza się proszek stopu aluminium z proszkiem środka spieniającego, zazwyczaj wstępnie kompaktowanym przez prasowanie osiowe, a następnie zagęszczanym przez wytłaczanie w formie spienialnych prętów”, wyjaśnia Carsten Lies, kierownik działu zintegrowanego budownictwa lekkiego w Instytucie Fraunhofera ds. Maszyn i Technologii Kształtowania (IWU) w Chemnitz. „Do produkcji kanapek z pianki aluminiowej przycina się spienialne pręty aluminiowe i umieszcza je między dwoma blachami pokrywającymi, które są umieszczone w odpowiedniej odległości od siebie”, opisuje inżynier proces produkcji.
W trakcie dalszej obróbki cieplnej, spienialne aluminium rozszerza się wielokrotnie. Powstała piana łączy się mocno z dwoma blachami w formie kanapki. Po schłodzeniu kanapka jest przycinana do ostatecznych wymiarów. „Pianki metalowe, szczególnie pianki aluminiowe, są głównie stosowane jako materiał rdzeniowy w kanapkach,” wyjaśnia Lies. Ich blachy wierzchnie są zazwyczaj wykonane ze stali lub aluminium. „Warstwy wierzchnie absorbują działające obciążenia, rdzeń utrzymuje blachy w stałej odległości,” tłumaczy badacz z Fraunhofer, wskazując na szczególne właściwości materiału high-tech. Połączenie między warstwami wierzchnimi a rdzeniem zazwyczaj odbywa się w metalicznym połączeniu materiałowym.
Lekkie, przewiewne i sztywne: kanapka z wypełnieniem piankowym
„Kanapki w zależności od konstrukcji charakteryzują się bardzo wysoką sztywnością zginającą. Efekt ten jest wykorzystywany do lżejszego projektowania zespołów, przy jednoczesnym zachowaniu lub nawet poprawie ich sztywności,” mówi Lies. Zastępują one masywne elementy konwencjonalnych zespołów. W zależności od kryteriów optymalizacji, według badacza, można osiągnąć znaczne oszczędności wagi przy tej samej sztywności (do około 30 procent) lub przy stałej wadze znaczne zwiększenie sztywności. Konkretne korzyści z zastosowania pianki metalowej w maszynie w kontekście efektywności i zrównoważonego rozwoju to według Lies „wyraźnie poprawiona tłumienie dzięki rdzeniowi piankowemu oraz znaczna oszczędność wagi dzięki zastosowaniu kanapek”.
Pozytywnym aspektem bilansu środowiskowego jest również to, że pianki metalowe można łatwo poddać recyklingowi. „Ponieważ do produkcji kanapek nie używa się kleju, materiał może być wprowadzany do istniejących obiegów przetwarzania złomu metalowego ze stali i aluminium,” mówi badacz z Chemnitz.
Dopasowane z drukarki 3D
Elementy z pianki metalowej – a dokładniej mówiąc, elementy z hybrydowych porowatych materiałów (HyPo) – można również wytwarzać w druku 3D. Zaletą addytywnie wytwarzanej pianki metalowej jest precyzyjne rozmieszczenie komór powietrznych. Tak wytworzone elementy mogą być optymalizowane pod kątem specjalnych zastosowań, ponieważ gradacyjne ustawienie struktury porów wewnątrz elementu daje więcej możliwości niż pęcherzyki powietrza w metalu, które powstają podczas spieniania gazem. W ten sposób w drukarce 3D można precyzyjnie wytwarzać komponenty maszyn z dokładnie zdefiniowanymi właściwościami.
„Trudno jest osiągnąć gradację struktury porów i profili właściwości w materiale monolitycznym, ponieważ albo proces produkcji, albo dalsza obróbka do ostatecznej geometrii elementu nie odpowiadają finalnym wymaganiom dotyczącym obciążenia“ – wyjaśnia Thomas Hassel z Instytutu Inżynierii Materiałowej Uniwersytetu Leibniza w Hanowerze (LUH). Produkcja addytywna, jak podkreśla doktor inżynier, umożliwia „wytwarzanie bliskie ostatecznemu kształtowi” elementów i jednocześnie wprowadza gradację „w taki sposób, że jest ona dokładnie umiejscowiona w profilu wymagań”.
Jakie konkretne zastosowania istnieją w budowie maszyn narzędziowych oraz jak innowacyjny materiał może pomóc w zwiększeniu efektywności i zrównoważonego rozwoju w fabryce, jest przedmiotem badań. W centrum uwagi znajdują się komponenty maszyny narzędziowej (zmieniacz narzędzi, uchwyt narzędziowy, suwak wrzeciona) pod kątem ich sztywności, tłumienia, zachowania termoelastycznego, ich niezrównoważenia oraz twardości i jakości powierzchni, wyjaśnia Hassel. Dzięki wdrożeniu komponentów HyPo na przykład w frezarce badane są korzyści wynikające z zastosowania gradientowych komponentów. „Analizowane będzie zachowanie maszyny podczas obróbki, ponieważ frezowanie obejmuje szeroki zakres różnych przypadków obciążenia,” mówi Hassel. „Dzięki temu możliwe będzie określenie wpływu komponentu HyPo na mechaniczne i termiczne właściwości maszyny oraz znaczne poprawienie wydajności takich maszyn.”
Zastępstwo dla chemikaliów wieczności
Większa zrównoważoność dzięki materiałom lekkim to jeden z wielu sposobów na poprawę bilansu ekologicznego w produkcji przemysłowej. W międzyczasie coraz większą uwagę zwraca się również na przyjazne dla środowiska alternatywy dla tzw. chemikaliów wieczystych. W centrum uwagi znajdują się między innymi szkodliwe dla środowiska substancje per- i polifluoroalkilowe (PFAS), które w produkcji stosowane są szczególnie tam, gdzie panują ekstremalne warunki: wysokie temperatury, silne ścieranie lub agresywne warunki chemiczne. PFAS występują między innymi w uszczelkach, rurach lub armaturze.
Czy substytucja PFAS jest możliwa, należy ocenić „indywidualnie w zależności od przypadku użycia i nie można na to odpowiedzieć ogólnie”, mówi Frank Schönberger, kierownik działu syntez i formułowania w Instytucie Fraunhofera ds. Wytrzymałości i Niezawodności Systemów LBF w Darmstadt. „Zastąpienie fluoropolimerów 1:1 zazwyczaj nie jest możliwe i zawsze zależy od indywidualnych wymagań danego zastosowania.”
Są przypadki, w których fluoropolimer może być zastąpiony innym wysokowydajnym polimerem (takim jak PEEK, PEI lub PPS) w zależności od wymagań, na przykład gdy wymagania dotyczące temperatury i mediów są umiarkowane lub w zakresie związków tribologicznych. „Jednak są również obszary zastosowań, w których złożone wymagania – na dzień dzisiejszy – nie mogą być spełnione przez żaden inny materiał”, ogranicza badacz. „Fluoropolimery charakteryzują się w dużej mierze uniwersalną odpornością chemiczną i mają wysoką odporność na temperaturę. W zastosowaniach, w których jest to wymagane, jak w pompach czy instalacjach, które muszą wytrzymać różne media w różnych warunkach, fluoropolimery jak dotąd nie mają substytutu”, podsumowuje Schönberger i dodaje: „Szanse mogą pojawić się w zastosowaniach, w których pełny potencjał fluoropolimerów nie jest wymagany oraz w sytuacjach, w których na przykład możliwe jest przeprojektowanie.”
Substytucja PFAS również istotna dla USA
Według Schönbergera zastąpienie PFAS jest również istotne dla rynków poza Europą, szczególnie w USA. Ponadto w Stanach Zjednoczonych istnieją regulacje, które częściowo zależą od poszczególnych stanów. To również pokazuje: większa zrównoważoność w technologii produkcji jest globalnym wyzwaniem, na które należy zareagować w fabrykach we wszystkich krajach rozwiniętych.
Autor: Daniel Schauber
Kontakt:
