Projekti / Programi
Izboljšava pretočnosti in gostote surovine za nano injekcijsko brizganje prahov (nanoPIM)
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.05.00 |
Tehnika |
Mehanika |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T000 |
Tehnološke vede |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.03 |
Tehniške in tehnološke vede |
Mehanika |
Izboljšanje proizvodnjih procesov, Prašno injekcisjko brizganje, Polimerno-kovinski kompoziti, Viskoznost, Lezenje, Pretočnost, Sipki materiali, Temperaturno-tlačni učinki
Raziskovalci (14)
Organizacije (3)
Povzetek
Predlagani projekt obravnava ključni problem nove tehnologije injekcijskega brizganja nano-prahu (nPIM), ki predstavlja evolucijsko hkrati pa tudi znatno izboljšano obstoječe PIM tehnologije, in se lahko šteje za enega od temeljnih nastajajočih tehnologij prihodnosti (FET) za proizvodnjo kovinskih in / ali keramičnih konstrukcijskih delov s kompleksno geometrijo. Ključne prednosti delov narejenih z nPIM, v primerjavi s tistimi, ki so izdelani s PIM tehnologijo, so njihove vrhunske mehanske lastnosti (predvsem odpornost proti utrujanju) in njihova kakovost površine, s katero pridejo v razred izdelkov s "polirano površino". Ključen problem nPIM so zelo veliki tlaki predelave (več MPa), ki so posledica slabe pretočnosti polimerno kovinskih in polimerno keramičnih mešanic pri povišanem tlaku. Rešitev tega problema je končni cilj tega projekta.
Injekcijsko brizganje nano-prahu (nPIM) je prilagodljiva tehnologija za izdelavo majhnih delov s kompleksno geometrijo izdelanih iz kovine ali keramike. nPIM temelji na pripravi kompozitnega materiala sestavljenega iz polimernega veziva ter kovinskega ali keramičnega prahu, običajno imenovanega surovina. Tehnologijo PIM lahko uporabljamo v avtomobilski, elektronski ali medicinski industriji. Vendar nekaj faktorjev znatno vpliva na razširitev te tehnologije. Eden od njih je daljši čas, potreben, da odstranimo polimerno vezivo, ki se uporablja med stiskanjem. Ta problem je bil delno odpravljen z uporabo polimerov, ki so podvrženi hitri razgradnji (polioksimetilen - POM) pod ustreznimi pogoji, vendar pa so se pojavile nove omejitve, saj imajo ti polimeri zelo visoko viskoznost, kar lahko otežuje izdelovanje izdelkov.
Cilj tega projekta je določiti končno »sestavo« surovine na osnovi POM. V skladu s tem ciljem je projekt usmerjen v zmanjšanje viskoznost surovine, ki se uporablja v PIM in nPIM, hkrati pa ohranjanje dobrih mehanskih lastnosti materiala v trdnem stanju. To se doseže z (i) manipuliranjem porazdelitev molekulskih mas polimerne matrike, in (ii) izbiro ustrezne porazdelitve velikosti delcev polnila v prahu, ki bo vseboval nano in mikro delce. Posebna pozornost bo namenjena (iii) vplivu temperature in tlaka na izboljšane surovine, potrebne za optimizacijo procesnih parametrov. Končno (iv) bo zmogljivost izboljšanih surovin pokazana z izvedbo celotnega PIM procesa in izdelavo testnih izdelkov s kompleksno geometrijo.
Pomen za razvoj znanosti
Cilj projekta je bil izboljšati formulacijo surovine, ki bi izkazovala manjšo viskoznost in hkrati dobre mehanske lastnosti. Z vidika razvoja znanosti bi izpostavili 2 stvari, ki sta nastali kot direkten rezultat projekta in vplivata na razvoj znanosti: 1.Napravo in metodologijo za določanje trenja v granuliranih materialih – Granular Friction Analyzer (GFA) Pretok granuliranih materialov je kompleksen proces in je odvisen od lastnosti materiala in pogojev katerim je material izpostavljen. Pretok oz. trenutek preden material 'steče' je pomembno poznati in nadzirati saj ta močno vpliva na kvaliteto končnega izdelka in njegovo ceno. Obstoječe metode za določanje pretočnosti granuliranih materialov so dobro razvite in v uporabi že dlje časa, kljub temu pa ni na voljo metod, ki bi na preprost način lahko izmerile lastnosti granuliranih sistemov pri tlačni obremenitvi granuliranih materialov. V sklopu raziskav smo razvili novo napravo in metodologijo (GFA), ki je preprosta za uporabo za določitev trenja med granuliranimi delci, ki so izpostavljeni tlačni obremenitvi. Naprava prav tako omogoča analizo pogojev pri katerih se granulirani material začne premikati (pod vplivom tlačne obremenitve), t.i. ničelna hitrost pretoka. V primeru prve prototipne naprave se je izkazalo, da trenutni način merjenja lastnosti granuliranih materialov ni povsem optimalen, zato je predvidena nadgradnja naprave GFA z optično metodo (digital image correlation). Ta nadgradnja bo omogočala bolj natančno spremljanje vedenja granuliranih materialov, kjer želimo v nadaljevanju preveriti vpliv vrste materialov, velikosti in porazdelitve velikosti delcev na pretočnost granuliranih materialov. 2.Modeliranje tokovnega vedenja polimerov z visokim deležem polnila V preteklih letih je več raziskovalcev poskušalo napovedati vedenje polimerov z visokim deležem polnila z uporabo različnih matematičnih modelov, s ciljem, da pospešijo razvoj novih kompozitnih materialov za različne aplikacije, kot tudi, da bi dobili boljši vpogled v interakcijo posameznih komponent. V literaturi je na voljo več modelov za napoved tokovnega vedenja surovin. V sklopu projekta so bili uporabljeni 3 eksponentni in 9 potenčnih modelov, vendar smo ugotovili da je njihova natančnost omejena. Po eni strani nekateri modeli ne upoštevajo odvisnosti viskoznosti od strižne hitrosti ali pa obravnavajo te materiale kot homogene materiale, čeprav so očitno večfazni materiali. Po drugi strani pa ni na voljo dovolj sistematično izpeljanih eksperimentalnih testov za preverjanje teh modelov. To vodi do napačnih napovedi tokovnega vedenja materialov ali njihove omejene uporabnosti (le v ozkem območju) ali pa uporabnosti modelov samo za specifične kombinacije polimer-delci. Iz tega torej sledi, da trenutno nimamo na voljo dovolj dobrega orodja za popis tokovnega vedenja polimerov z visokim deležem polnila. Model, ki bo bolje predstavljal vedenje takšnih materialov mora temeljiti na dejstvu, da je polimerno vezivo bolj strižno obremenjeno, ko je v surovini prisotnih več delcev. Ker lahko polnilo upoštevamo kot togo telo, vso deformacijo v strižnem polju prevzame matrica, kar pomeni, da je v resnici matrica bolj strižno obremenjena in je posledično efektivna viskoznost takšne surovine višja. Poleg tega pa mora model upoštevati še to, da se viskoznost spreminja z strižno hitrostjo in temperaturno, ter tlačno odvisnost surovine. Numerično modeliranje PIM tehnoloških procesov zato trenutno ni možno! Izboljšava modelov sicer ni bil eden izmed cilje tega projekta, predstavlja pa to motivacijo za nadaljnjo raziskovanje.
Pomen za razvoj Slovenije
Izkušnje in znanja pridobljena v sklopu projekta, predstavljajo znaten intelektualni potencial, ki lahko vodil v tehnološki preboj na različnih področjih inženirstva, kjer se uporabljajo polimerni kompoziti oz. kompozitov z visoko koncentracijo trdnih delcev. Zaradi njihove vsestranskosti lahko takšne materiale najdemo v mnogih inženirskih področjih kot so avtomobilska industrija, proizvodnja aditivov, predelovalna industrija, biomedicina, keramika, baterije, magneti, trdna goriva, peščena lepila, itd. V sklopu projekta smo iskali izboljšano formulacijo sestave surovine (polimernega veziva in kovinski delcev/polnila ) z namenom, da bi dosegli bistveno izboljšane pogoje predelave surovine in s tem odprli možnost za izdelavo povsem nove palete izdelkov s tehnologijo PIM. V sklopu projekta smo ugotovili, da lahko reološke (predelovalne) lastnosti surovine izboljšamo z pravilno izbiro molekulskih tež veziva ali pa z uporabo aditivov. Prav tako smo ugotovili, da lahko do neke kritične meje surovino obravnavamo kot Newtonsko tekočino, nad to mejo pa moramo upoštevati zmanjševanje viskoznosti z višanjem strižne hitrosti. Pokazali smo tudi, da lahko z pravilnim izborom velikosti in porazdelitve velikosti delcev pomembno vplivamo na pretočnost surovine. Na podlagi teh ugotovitev lahko rečemo, da tehnologija PIM in ugotovitve projekta predstavljajo potencialni preboj na področju uporabe te tehnologije in odpirajo možnosti za vstop v različne nove tržne niše. Slovenija bi na tem področju lahko imela pomembno vlogo proizvajalca kovinskih izdelkov s kompleksno geometrijo, z uporabo PIM tehnologije. Širši vpliv na industrijo Trenutno, široka raba PIM tehnologije ni mogoča. Z izboljšavami formulacije PIM surovine na podlagi predstavljanih rezultatov projekta, bi se tovrstna tehnologija lahko uporabljala kot primarna tehnika v proizvodnji kovinskih ali keramičnih delov, ki se jih trenutno proizvaja s slabšo učinkovitostjo. Na ta način, bi tehnologija PIM omogočila podjetjem zmanjšati proizvodne stroške in znižati stopnjo negativnega vpliva na okolje. Deli, ki bi jih lahko proizvajali s PIM tehnologijo zajemajo avtomobilske in elektronske komponente ter medicinske in farmacevtske pripomočke. To so industrije, ki so močno prisotne v Sloveniji in bi lahko na podlagi teh rezultatov povečale svojo konkurenčnost, saj izboljšave PIM tehnologije omogočajo proizvodnjo novih izdelkov po znatno nižji ceni. Razvoj visokošolskega izobraževanja Rezultati raziskav in pridobljene izkušnje v sklopu projekta smo prenesli v študijske programe, ki jih izvaja naša skupina: Mehanika nekovinskih gradiv (Projektno aplikativni program, I. stopnja), Nauk o polimerih (Razvojno-raziskovalni program, I. stopnja), Mehanika polimerov in kompozitov (II. Stopnja) in Teorija viskoelastičnosti (Doktroski študij). Pridobljena znanja in izkušnje smo na podoben način vključili tudi v praktična dela, seminarje in diplome. Prenos najnovejših spoznanj v študijske programe omogoča študentom boljšo konkurenčnost na trgu dela, prav tako pa skozi praktične primere lažje razumejo podano snov.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2014,
2015,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2014,
2015,
zaključno poročilo
