Din cauza creșterii cerințelor de reglementare, furnizorii de tehnologie de producție se confruntă la nivel mondial cu provocarea de a integra materiale performante și ecologice. Soluțiile existente vor fi prezentate la EMO Hannover 2025, cea mai importantă expoziție mondială pentru tehnologia de producție, care va avea loc între 22 și 26 septembrie. În special, spumele metalice și substanțele de înlocuire pentru substanțele per- și polifluorurate (PFAS) atrag atenția.
Spumele metalice ajută la crearea de mașini mai eficiente, mai ușoare și în același timp mai stabile. Materialul cu porozitate ridicată prezintă - similar cu modelele sale naturale, oasele sau lemnul - o structură celulară care poate absorbi energie sub formă de vibrații, șocuri sau sunet.
Cum se coace pâinea
Spuma de aluminiu poate fi produsă printr-un proces care, în principiu, se desfășoară similar cu coacerea pâinii. Se iau pulberi, agent de spumare și căldură, și astfel se obține spuma de aluminiu. În detaliu, însă, fabricarea acestui material de înaltă tehnologie este ceva mai complexă. „Pentru fabricarea spumelor de aluminiu, se amestecă o pulbere de aliaj de aluminiu cu o pulbere de agent de spumare, care este de obicei precompactată prin presare axială și apoi densificată prin extrudare în strângeri spumabile“, explică Carsten Lies, șeful departamentului de construcții ușoare integrate funcțional la Institutul Fraunhofer pentru Mașini Unelte și Tehnologia Formării (IWU) din Chemnitz. „Pentru fabricarea sandwich-urilor din spumă de aluminiu, se așează strângeri de aluminiu tăiate, spumabile, între două plăci de acoperire poziționate la distanță una de cealaltă“, descrie inginerul procesul de producție.
În tratamentul termic următor, aluminiul spumabil se extinde de mai multe ori. Spuma rezultată se leagă strâns de cele două plăci superioare formând un sandwich. După răcire, sandwich-ul este tăiat la dimensiunile finale. „Spumele metalice, în special spumele de aluminiu, sunt utilizate în principal ca material de miez în sandwich-uri”, explică Lies. Plăcile superioare sunt de obicei fabricate din oțel sau aluminiu. „Straturile superioare absorb sarcinile aplicate, iar miezul menține plăcile la o distanță constantă”, explică cercetătorul de la Fraunhofer proprietățile speciale ale materialului de înaltă tehnologie. Legătura dintre straturile superioare și miez se realizează de obicei printr-o conexiune metalică.
Aerisit, ușor și rigid: Sandwich cu umplutură de spumă
„Sandwich-urile au, în funcție de construcție, o rigiditate la îndoire foarte mare. Acest efect este utilizat pentru a face ansambluri mai ușoare, menținând în același timp rigiditatea ansamblului sau chiar îmbunătățind-o“, spune Lies. Ele înlocuiesc elementele masive ale ansamblului convențional. În funcție de criteriul de optimizare, spune cercetătorul, se pot obține fie economii semnificative de greutate cu aceeași rigiditate (de până la aproximativ 30 la sută), fie creșteri semnificative ale rigidității la greutate constantă. Avantajele concrete ale utilizării spumei metalice în mașină, în ceea ce privește eficiența și durabilitatea, sunt, conform lui Lies, „îmbunătățirea semnificativă a amortizării datorită miezului de spumă și economisirea semnificativă de greutate prin utilizarea sandwich-urilor“.
Un aspect pozitiv pentru bilanțul de mediu este că spumele metalice pot fi reciclate fără probleme. „Deoarece nu se utilizează adeziv pentru fabricarea sandwich-urilor, materialul poate fi introdus în circuitele existente pentru prelucrarea deșeurilor metalice din oțel și aluminiu“, spune cercetătorul din Chemnitz.
Perfect adaptat din imprimanta 3D
Componente din spumă metalică – sau, mai precis, componente din materiale poroase hibride (HyPo) – pot fi, de asemenea, fabricate prin imprimare 3D. Avantajul spumei metalice fabricate aditiv: camerele de aer pot fi aranjate cu precizie. Componentele astfel obținute pot fi optimizate pentru cazuri de utilizare specifice, deoarece ajustarea gradată a structurii poroase din interiorul componentei oferă mai multe opțiuni decât bulele de aer din metal, care se formează prin spumare cu gaz. Astfel, în imprimanta 3D pot fi create componente de mașini care se potrivesc perfect și au proprietăți exact definite.
„O ajustare gradată a structurii poroase și a profilurilor de proprietăți este dificil de realizat sau chiar imposibil într-un material fabricat monolitic, deoarece fie procesul de fabricație, fie prelucrarea ulterioară până la geometria finală a piesei nu se potrivesc cu condițiile finale de cerință ale solicitării“, explică Thomas Hassel de la Institutul de Știința Materialelor al Universității Leibniz din Hannover (LUH). Fabricarea aditivă reușește, subliniază inginerul doctor, să permită o „fabricare aproape de conturul final“ al pieselor și, în același timp, să introducă gradarea „în așa fel încât aceasta să fie poziționată exact în profilul de cerință“.
Care sunt aplicațiile concrete în construcția mașinilor-unelte și cum poate ajuta materialul inovator la creșterea eficienței și sustenabilității în fabrică este subiectul cercetării. În centrul atenției se află componentele unei mașini-unelte (schimbător de unelte, suport de unelte, glisieră a arborelui principal) în ceea ce privește rigiditatea, amortizarea, comportamentul termoelastic, dezechilibrul, precum și duritatea și calitatea suprafeței, explică Hassel. Prin implementarea componentelor HyPo, de exemplu, într-o mașină de frezat, se cercetează ce avantaje rezultă din aceste componente gradate. „Se va analiza comportamentul operațional în timpul prelucrării, deoarece prelucrarea prin frezare acoperă o gamă largă de cazuri de încărcare diferite”, spune Hassel. „Astfel, va fi posibil să se determine influența componentelor HyPo asupra proprietăților mecanice și termice ale mașinii și să se îmbunătățească semnificativ performanța acestor mașini.”
Înlocuitor pentru substanțele chimice perene
Mai multă sustenabilitate prin materiale ușoare este una dintre numeroasele abordări pentru a îmbunătăți bilanțul de mediu în producția industrială. De asemenea, alternativele ecologice pentru așa-numitele substanțe chimice de durată au intrat în atenție. În centrul atenției se află, printre altele, substanțele chimice per- și polifluorurate (PFAS), care sunt utilizate în producție în special acolo unde există condiții extreme: temperaturi ridicate, uzură intensă sau condiții chimice agresive. PFAS se regăsesc, printre altele, în garnituri, conducte sau accesorii.
Dacă o substituție a PFAS este posibilă, aceasta trebuie evaluată „individual în funcție de caz” și nu poate fi răspunsă în mod general”, spune Frank Schönberger, șeful departamentului de sinteză și formulare la Institutul Fraunhofer pentru rezistența la operare și fiabilitatea sistemelor LBF din Darmstadt. „Un înlocuitor 1:1 pentru polimerii fluorurați nu este de obicei posibil, ci depinde întotdeauna de cerințele individuale ale aplicației respective.”
Există cazuri în care un polimer fluorurat poate fi înlocuit, în funcție de cerințe, cu un alt polimer de înaltă performanță (cum ar fi PEEK, PEI sau PPS), de exemplu, atunci când cerințele de temperatură și mediu sunt moderate sau în domeniul compușilor tribologici. „Dar există și domenii de aplicare în care cerințele complexe – la momentul actual – nu pot fi îndeplinite de niciun alt material”, precizează cercetătorul. „Polimerii fluorurați au o rezistență chimică în mare parte universală și o rezistență ridicată la temperatură. În aplicațiile în care acest lucru este necesar, cum ar fi în pompe sau instalații care trebuie să reziste la medii diferite în condiții variate, polimerii fluorurați nu au fost înlocuiți până acum”, rezumă Schönberger și adaugă: „Oportunitățile pot apărea în aplicații în care potențialul complet al polimerilor fluorurați nu este necesar și în situații în care, de exemplu, este posibil un redesign.”
Substituția PFAS este relevantă și pentru SUA
Conform lui Schönberger, înlocuirea PFAS este relevantă și pentru piețele din afara Europei, în special în SUA. În plus, există în Statele Unite reglementări care depind parțial de fiecare stat. Acest lucru arată, de asemenea: Mai multă durabilitate în tehnologia de producție este o provocare globală, la care trebuie să se răspundă în fabricile din toate națiunile industrializate.
Autor: Daniel Schauber
Contact:
