Dr hab. inż. Dariusz Jarząbek z Zakładu Mechaniki Materiałów IPPT PAN został laureatem konkursu Narodowego Centrum Nauki (NCN) „OPUS 25”. Jest to konkurs na projekty badawcze przeznaczony dla naukowców na wszystkich etapach kariery naukowej.
Tytuł projektu brzmi:
„Dopasowywanie właściwości mechanicznych kompozytów o osnowie metalicznej poprzez kontrolowanie rozkładu cząstek wzmacniających”.
Wytwarzanie przyrostowe, popularnie nazywane drukiem 3D, w ostatnich latach zyskało wielką popularność, zarówno w przemyśle, jak i środowisku akademickim. Podstawą tego zainteresowania jest możliwość szybkiego wytwarzania skomplikowanych struktur, również z zaawansowanych materiałów. Materiały mogą być podstawą klasyfikacji metod wytwarzania przyrostowego, tak samo jak wykorzystywane technologie. Możemy wytwarzać elementy zarówno polimerowe (plastikowe), metalowe, jak i ceramiczne. Silnie rozwijają się również metody umożliwiające otrzymywanie kompozytów (mieszanek różnego rodzaju materiałów). Zazwyczaj jest to trudniejsze podejście, ponieważ różne materiały będą inaczej się zachowywać pod wpływem procesów fizycznych i chemicznych.
Przykładowy proces wytwarzania kompozytu można wyobrazić sobie następująco: (1) zmieszanie proszku metalicznego i ceramicznego (2) nałożenie pojedynczej warstwy mieszaniny proszków (3) skanowanie głowicą dostarczającą dużo ciepła do proszków.
W wyniku skanowania (3) proszki ulegają uplastycznieniu oraz topnieniu i materiał proszków łączy się ze sobą. Następuje to tylko na trasie skanowania. Zazwyczaj źródłem ciepła jest laser. Po zakończeniu skanowania na pierwszej warstwie, nakłada się drugą pojedynczą warstwę. W ten sposób wytwarzana jest cała objętość o założonej geometrii realizowana dzięki odpowiednio zaprojektowanej strategii skanowania.
Z powyższego opisu wynikają pewne problemy. Po pierwsze, w kroku (1) mieszamy proszki w z góry założonej proporcji. Jeśli chcemy zmienić te proporcje, potrzebujemy stworzyć nową mieszaninę. Po drugie, w kroku (2) zawsze nakładamy warstwę takiej samej mieszaniny, co oznacza, że cała wykonywana część jest zbudowana z tego samego materiału. Nie zawsze jest to konieczne, a zazwyczaj jest nieekonomiczne, w szczególności dla drogich materiałów.
Rozwiązaniem tych problemów jest zrealizowanie projektu, w którym kroki (1) i (2) są wykonywane tylko dla jednego proszku (domyślnie tańszego), a drugi proszek dodajemy tylko tam, gdzie jest on niezbędnie potrzebny z punktu widzenia zastosowania wytwarzanej części. Przykładem części, w której takie podejście będzie bardzo zyskowne będzie element do współpracy tarciowej. W standardowym podejściu cały element byłby wykonany z metalu i ceramiki (która zwiększa odporność na zużycie), pomimo tego, że tylko niewielka część jednej powierzchni elementu byłaby narażona na zużycie. W podejściu proponowanym w tym projekcie chcemy wytwarzać części, które ceramikę miałyby tylko w miejscu, gdzie faktycznie następuje zużycie.
Celem projektu jest wytwarzanie przyrostowe części kompozytowych z precyzyjną kontrolą dodawania wzmocnienia. Zrealizowane zostanie urządzenie (drukarka 3D) z modułem do dozowania proszku ceramicznego.
Planowane badania zaczynają się od uzupełnienia wiedzy na temat kompozytów o zmiennej strukturze poprzez stworzenie numerycznych modeli. Takie modele pozwolą odpowiedzieć na pytanie jakie struktury będą optymalne i jak zaprojektować proces dozowania wzmocnienia. Następnie planowane są podstawowe i zaawansowane badania charakteryzujące eksperymentalne próbki. Równolegle rozwijany będzie projekt modułu dozującego i jego integracja z drukarką.
W efekcie powstanie urządzanie do wytwarzania przyrostowego kompozytów z kontrolą rozkładu wzmocnienia. Zespół uzyska wiedzę i umiejętności pozwalające na projektowanie takich materiałów i optymalizację ich właściwości np. pod kątem wytrzymałości na zginanie czy odporności na zużycie.
Gratulujemy i życzymy wielu sukcesów naukowych!
