Nanokompozyty ceramiczno-metalowe. Wytwarzanie MMC z zastosowaniem metod generatywnych

  • 16.09.2015
  • 3398
  • Źródło: RCIiTT ZUT w Szczecinie

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Mechatroniki Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie opracował innowacyjną technologię wytwarzania małych elementów z nanokompozytów cermetalicznych o bardzo dobrych właściwościach tribologicznych, tribokorozyjnych, zróżnicowanej strukturze i składzie oraz dowolnej geometrii.

Opis rozwiązania:

Nowa nanotechnologia pozwalająca na wytwarzanie wstępnie zaprojektowanych małych elementów konstrukcyjnych o zróżnicowanej, strukturze i składzie oraz dowolnej geometrii (kształcie), począwszy od projektu cech i właściwości, poprzez projekt struktury, składu i kształtu, a na końcu wykonaniu elementu inżynierskiego (elementu konstrukcji, urządzenia, narzędzia) w jednym cyklu procesu technologicznego, umożliwia wytworzenie jednostkowych elementów o konkurencyjnych właściwościach w porównaniu do ich odpowiedników stosowanych dotychczas.

Innowacyjna technologia wytwarzania spersonalizowanych elementów konstrukcyjnych polega na wykonaniu elementów z nanokompozytowych materiałów cermetalicznych technikami przyrostowymi w warunkach nadtapiania proszków wiązką wysokoenergetyczną w warunkach konsolidacji reaktywnej. Przedmiotowa technologia dotyczy nanokompozytów zawierających nanokrystaliczny węglik tytanu w osnowie tytanu lub stali nierdzewnej. Jednym z elementów proponowanej technologii jest możliwość zaprojektowania złożonej struktury kompozytu o założonych właściwościach do wymagań eksploatacyjnych z wykorzystaniem modeli analitycznych elementu konstrukcyjnego o dowolnym kształcie. Istotą procesu wytwarzania nanokompozytowego elementu konstrukcyjnego jest odpowiedni sposób przygotowania proszków cermetalicznych i dobór warunków ich konsolidacji.

Nanokompozyty cermetaliczne wytwarzane są techniką przyrostową w warunkach nadtapiania proszków wiązką wysokoenergetyczną w warunkach konsolidacji reaktywnej. Opracowana technologia oparta jest o wykorzystanie dwóch nanokompozytów zawierających nanokrystaliczny węglik tytanu - w osnowie tytanu oraz stali nierdzewnej. Ten pierwszy, znajdzie szerokie zastosowanie przy wytwarzaniu implantów dla medycyny (implanty stomatologiczne, ortopedyczne itp.).

Proces wytwarzania prototypów nanokompozytowych materiałów na implanty, otrzymywane technologią SLS/M odbywa się następująco:

Etap I
Opracowanie modelu CAD implantu oraz dostosowanie geometrii implantu do indywidualnych cech anatomicznych pacjenta.

Etap II
Wytworzenie implantu z kompozytu Ti/nc-TiC przy użyciu technologii SLS/M.

1













Rys. 1 Implant z nanokompozytu Ti/nc-TiC

Nanokompozyty w osnowie stali nierdzewnej będą szczególnie użyteczne do wytwarzania różnorodnych elementów konstrukcyjnych dla przemysłu maszynowego, elektrotechnicznego oraz energetycznego.

Proces wytwarzania prototypów nanokompozytowych radiatorów, otrzymywanych technologią SLS/M:

Etap I
Opracowanie modelu CAD radiatora oraz dostosowanie jego kształtu i wymiaru do elementu, z którym ma współpracować;

Etap II
Wytworzenie radiatora z kompozytu stal 316L/nc-TiC przy użyciu technologii SLS/M.

2
Rys. 2 Radiator z nanokompozytu stal 316L/nc-TiC

Wytworzone nanokompozyty charakteryzują się wysokimi walorami wytrzymałościowymi i antykorozyjnymi. Elastyczność zastosowania zapewnia wykorzystanie technik komputerowego wspomagania projektowania i wytwarzania za pomocą oprogramowania CAD. Technologia pozwala na wytwarzanie elementów o dokładnie zaprojektowanych właściwościach, przy czym różne partie elementów mogą mieć różne właściwości, np. jedna strona odporność na korozję, wnętrze twarde, druga strona odporność na kruche pękanie i zarysowanie.

W laboratoriach Wydziału Inżynierii Mechanicznej i Mechatroniki ZUT wykonano szczegółowe pomiary opracowanych kompozytów. Pomiary wykonano metodą "ball-on-disk" na tribometrze CSM (TRN model), stosując kulkę wykonaną z Al2O3 o średnicy 6 mm. Testy prowadzono przy obciążeniu 1 N i drodze tarcia wynoszącej 500 m. Oceniano objętość zużycia (V) i współczynnik zużycia (K). Wyniki testów przedstawiają poniższe wykresy:

3
Rys. 3 Badanie tribologiczne nanokompozytu wykonane w atmosferze suchego gazu

1
Rys. 4 Badanie tribokorozyjne nanokompozytu wykonane w roztworze Ringera

Przedstawiona technologia jest innowacją niestosowaną obecnie w przemyśle. Otrzymane wyniki prac badawczo-rozwojowych zgłoszone zostały do opatentowania. Na obecnym etapie technologia gotowa jest do wdrożenia w skali przemysłowej. Adresatami tych wyrobów i elementów konstrukcyjnych mogą być: przemysł medyczny (implanty stomatologiczne, ortopedyczne), maszynowy, elektrotechniczny, energetyka.

Zakres branżowy:

- Technologie materiałowe;
- Materiały ceramiczne;
- Materiały kompozytowe;
- Właściwości materiałów, Odporność, Korozja;
- Prawa własności intelektualnej: zgłoszone do opatentowania;
- Aktualna faza projektu: przetestowany, dostępny do demonstracji.

Technologia przetestowana laboratoryjnie, możliwa do wdrożenia w skali przemysłowej.

Typ oczekiwanej współpracy:

- Umowa współpracy technicznej;
- Umowa licencyjna.

Innowacyjność oferty polega na efekcie synergicznym połączenia walorów technologii przyrostowej z metodami projektowania materiałów nanokompozytowych oraz oryginalnego sposobu wytwarzania nanokompozytowych proszków. Efektem końcowym rozwiązania jest technologia wytwarzania elementów użytkowych z nanokompozytów cermetalicznych o wysokich walorach wytrzymałościowych i korozyjnych, elastyczna w realizacji dzięki zastosowaniu technik komputerowego wspomagania projektowania i wytwarzania. Proponowana technologia jest nową niestosowaną obecnie w przemyśle.

Szczegółowych informacji nt. technologii udziela:
Tomasz Łyżwiński, Specjalista ds. Transferu Technologii
tel: +48 91 449 43 91, pok. 29
Tomasz.Lyzwinski@zut.edu.pl
8

Projekt współfinansowany z programu "Inkubator Innowacyjności" realizowanego przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego w ramach projektu systemowego "Wsparcie systemu zarządzania badaniami naukowymi oraz ich wynikami", Priorytet I, Działanie 1.1., Poddziałanie 1.1.3. Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka, 2007-2013.

Wcześniejsze artykuły


Newsletter - nowości wprost na e-mail
)