Zaradi naraščajočih regulativnih zahtev se ponudniki proizvodnih tehnologij po vsem svetu soočajo z izzivom integracije zmogljivih in okolju prijaznih materialov. Katere rešitve že obstajajo, bo mogoče videti na EMO Hannover 2025, svetovnem vodilnem sejmu proizvodne tehnologije, od 22. do 26. septembra. Še posebej so v središču pozornosti kovinski pene in nadomestki za per- in polifluorirane alkilne snovi (PFAS).
Metalne pene pomagajo pri oblikovanju strojev, ki so učinkovitejši, lažji in hkrati stabilnejši. Visoko porozni material ima – podobno kot njegovi naravni vzorci kosti ali les – celično strukturo, ki lahko absorbira energijo v obliki vibracij, udarcev ali zvoka.
Kako peči kruh
Aluminijasta pena se lahko proizvede v postopku, ki je po načelu podoben peki kruha. Vzame se prah, sredstvo za penjenje in toplota, in aluminijasta pena je pripravljena. Vendar je postopek izdelave tega visokotehnološkega materiala nekoliko bolj zapleten. „Za proizvodnjo aluminijastih pen se mešata prah aluminijaste zlitine in prah sredstva za penjenje, običajno se najprej predkompaktirata z aksialnim stiskanjem, nato pa se s stiskanjem v trakove stisneta v penljive trakove,“ pojasnjuje Carsten Lies, vodja oddelka za funkcionalno integrirano lahkotno gradnjo na Fraunhoferjevem inštitutu za orodjarstvo in oblikovanje (IWU) v Chemnitzu. „Za izdelavo aluminijastih penastih sendvičev se izrezani, penasti aluminijasti trakovi postavijo med dve pokrovni plošči, ki sta postavljeni na razdalji ena od druge,“ nadaljuje inženir z opisom proizvodnega procesa.
V nadaljnji toplotni obdelavi se penljivo aluminijasto razširi večkratno. Nastala pena se trdno poveže z obema pokrovnima ploščama v sendvič. Po ohlajanju se sendvič obreže na končne dimenzije. „Metalne pene, posebej aluminijaste pene, se pretežno uporabljajo kot jedro v sendvičih,“ pojasnjuje Lies. Njihove pokrovne plošče so običajno izdelane iz jekla ali aluminija. „Pokrovne plasti prevzamejo obremenitve, jedro pa ohranja plošče konstantno na razdalji,“ pojasnjuje raziskovalec Fraunhoferja posebne lastnosti visokotehnološkega materiala. Povezava med pokrovnimi plastmi in jedrom se običajno zgodi v metalurški povezavi.
Zračen, lahek in tog: sendvič s penasto polnilo
„Sendviči imajo glede na zasnovo zelo visoko upogibno togost. Ta učinek se izkorišča za lažje oblikovanje sklopov, pri čemer se ohranja ali celo izboljšuje togost sklopov,“ pravi Lies. Nadomeščajo masivne elemente konvencionalnih sklopov. Glede na kriterij optimizacije, pravi raziskovalec, je mogoče doseči bodisi znatne prihranke teže pri enaki togosti (do približno 30 odstotkov) bodisi pri enaki teži znatno povečanje togosti. Konkretne prednosti uporabe kovinskega pene v strojih z vidika učinkovitosti in trajnosti so po mnenju Liesa torej „zelo izboljšano dušenje zaradi pene in znatna prihranek teže z uporabo sendvičev“.
Pozitiv za okoljsko bilanco je tudi to, da se kovinski pene lahko brez težav reciklirajo. "Ker se pri izdelavi sendvičev ne uporablja lepilo, se lahko material vključi v obstoječe kroge za predelavo kovinskih odpadkov iz jekla in aluminija," pravi raziskovalec iz Chemnitza.
Natančno iz 3D-tiskalnika
Komponente iz kovinskega pene – natančneje, komponente iz hibridnih poroznih (HyPo-)materialov – je mogoče izdelati tudi s 3D-tiskom. Prednost aditivno izdelane kovinske pene: Zračne komore je mogoče natančno razporediti. Tako izdelane komponente je mogoče optimizirati za posebne aplikacije, saj gradirana nastavitev porozne strukture znotraj komponente omogoča več možnosti kot zračni mehurčki v kovini, ki nastanejo pri penjenju plina. Tako lahko v 3D-tiskalniku nastanejo strojni deli natančno in z natančno določenimi lastnostmi.
„Gradirana nastavitev porozne strukture in lastnostnih profilov je v monolitno izdelanem materialu težko ali skoraj nemogoče doseči, saj bodisi proizvodni postopek bodisi nadaljnja obdelava do končne geometrije dela ne ustrezata končnim zahtevam obremenitve,“ pojasnjuje Thomas Hassel z Inštituta za materialne znanosti Univerze Leibniz Hannover (LUH). Dodatna proizvodnja omogoča, tako poudarja doktor inženir, „proizvodnjo blizu končne oblike“ komponent in hkrati na ustreznih mestih vnaša gradacijo „na tak način, da je ta natančno pozicionirana v zahtevnem profilu“.
Katere konkretne aplikacije obstajajo v gradnji orodnih strojev in kako lahko inovativen material pomaga povečati učinkovitost in trajnost v tovarni, je predmet raziskav. V središču pozornosti so komponente orodnega stroja (menjalnik orodij, nosilec orodij, vreteno) glede na njihovo togost, dušenje, termoelastično vedenje, neravnotežje ter trdoto in kakovost površine, pojasnjuje Hassel. Z implementacijo HyPo komponent, na primer v frezarskem stroju, se raziskuje, katere prednosti prinašajo gradniki z gradacijo. „Pri tem je treba analizirati obratovalno vedenje med obdelavo, saj frezarska obdelava zajema širok spekter različnih obremenitev,“ pravi Hassel. „S tem postane mogoče določiti vpliv HyPo komponente na mehanske in toplotne lastnosti stroja ter bistveno izboljšati zmogljivost takšnih strojev.“
Nadomestek za večne kemikalije
Večja trajnost z lahkimi materiali je eden od mnogih pristopov za izboljšanje okoljske bilance v industrijski proizvodnji. Hkrati so v ospredje prišle tudi okolju prijazne alternative za tako imenovane večno kemikalije. V središču pozornosti so med drugim okolju škodljive per- in polifluorirane alkilne snovi (PFAS), ki se v proizvodnji uporabljajo zlasti tam, kjer vladajo ekstremni pogoji: visoke temperature, močno obrabo ali agresivni kemični pogoji. PFAS se med drugim pojavljajo v tesnilih, cevovodih ali armaturah.
Ali je mogoče nadomestiti PFAS, je odvisno od posameznega primera in se ne da enoznačno odgovoriti, pravi Frank Schönberger, vodja oddelka za sintezo in formulacijo na Fraunhoferjevem inštitutu za obratno trdnost in zanesljivost sistemov LBF iz Darmstadta. "Nadomestitev fluoropolimerov 1:1 običajno ni mogoča, temveč je vedno odvisna od individualnih zahtev posamezne uporabe."
Obstajajo primeri, kjer lahko fluoropolimer glede na zahteve nadomesti drugo visoko zmogljivo polimerno (kot so PEEK, PEI ali PPS), na primer, če so temperaturne in medijske zahteve zmerne ali na področju triboloških spojin. "Toda obstajajo tudi področja uporabe, kjer kompleksnih zahtev - do danes - ne more izpolniti noben drug material," omejuje raziskovalec. "Fluoropolimeri imajo široko univerzalno kemično odpornost in visoko temperaturno odpornost. V aplikacijah, kjer je to zahtevano, kot so črpalke ali naprave, ki morajo prenesti različne medije pod različnimi pogoji, fluoropolimeri zaenkrat niso zamenljivi," povzema Schönberger in dodaja: "Priložnosti se lahko pojavijo v aplikacijah, kjer polno potencial fluoropolimerov ni potrebno in v situacijah, kjer je na primer mogoče redizajniranje."
Nadomestitev PFAS je tudi pomembna za ZDA
Po Schönbergerjevih besedah je nadomestitev PFAS pomembna tudi za trge izven Evrope, zlasti v ZDA. Poleg tega v Združenih državah obstajajo delno regulacije, odvisne od posameznih zveznih držav. To kaže tudi na to, da je večja trajnost v proizvodni tehnologiji globalni izziv, na katerega je treba reagirati v tovarnah v vseh industrijskih državah.
Avtor: Daniel Schauber
Kontakt:
