Instytut Podstawowych Problemów Techniki
Polskiej Akademii Nauk

Aktualności

Narodowe Centrum Nauki (NCN) po raz kolejny przyznało dofinansowanie dla projektów IPPT PAN. Na listach rankingowych znalazły się dwa wyróżnione projekty:

  1. Projekt OPUS dr. Szymona Nosewicza z Zakładu Informatyki i Nauk Obliczeniowych
  2. Projekt PRELUDIUM mgr. Kamila Opieli z Zakładu Technologii Inteligentnych.

OPUS to konkurs przeznaczony dla wszystkich badaczy, niezależnie od etapu kariery naukowej. W ramach realizacji projektu mogą oni otrzymać środki na zatrudnienie zespołu naukowców oraz zakupić lub wytworzyć aparaturę naukowo-badawczą, która jest niezbędna do ich realizacji. Możliwe jest także przyznanie stypendiów dla młodych badaczy.

PRELUDIUM to konkurs na projekty badawcze realizowane przez osoby nieposiadające stopnia naukowego doktora.

 

Ad. 1. Projekt OPUS pt.: Wieloskalowa analiza deformacji oraz zniszczenia nowych hybrydowych kompozytów na osnowie metalowej. Badania doświadczalne oraz modelowanie numeryczne, kierownik: dr Szymon Nosewicz

Hybrydowe kompozyty na osnowie metalowej (HMMCs) są nową ulepszoną wersją klasycznych kompozytów na osnowie metalowej (MMCs) będącą jedną z najbardziej zaawansowanych grup materiałów stosowanych w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym, obronnym i inżynierii ogólnej. HMMCs są uzyskiwane poprzez wzmocnienie osnowy metalowej za pomocą dwóch lub więcej typów materiału o różnych właściwościach lub materiału o dwóch różnych rozmiarach. Pozwala to na uzyskanie lepszych właściwości użytkowych, takich jak bardziej wydajną pracę w wysokich temperaturach, wysoką wytrzymałość właściwą i sztywność, zwiększoną odporność na zużycie czy pełzanie, w stosunku do klasycznych kompozytów. Ze względu na możliwe zastosowania, proces deformacji HMMCs jest jednym z ważniejszych problemów w kontekście wytrzymałości i długotrwałej wydajności tychże materiałów.

Procesy deformacji oraz uszkodzeń HMMCs można skutecznie przewidzieć dzięki wieloskalowemu podejściu, które zyskało szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach nauki i inżynierii. Pozwala ono uwzględniać właściwości materiału na poziomie mikroskopowym (rodzaj materiału osnowy, udział objętościowy i wielkości zbrojenia, jakość interfejsu metal-ceramika), a także na poziomie atomowym (właściwości międzyfazowe, gęstość defektów, orientację ziaren czy rodzaj granic ziaren). W ramach proponowanego projektu zostaną opracowane modele numeryczne przewidujące proces deformacji (aż do uszkodzenia) występujący na różnych skalach (atomistycznej, mikroskopowej i makroskopowej) na przykładzie hybrydowych kompozytów na osnowie metalowej. Zastosowane zostaną różne podejścia i różne modele numeryczne odpowiednie dla każdej skali. Symulacje dynamiki molekularnej zostaną przeprowadzone w celu zbadania wytrzymałości poszczególnych składników kompozytów: osnowy metalicznej, zbrojenia ceramicznego i interfejsu metal-ceramika w skali atomowej. Symulacje na poziomie atomowym pozwolą na wyznaczenie parametrów wejściowych dla modeli mikromechanicznych – metody elementów dyskretnych oraz skończonych opartych na mikrostrukturze otrzymanej z mikrotomografii rentgenowskiej. Biorąc pod uwagę złożoną mikrostrukturę, modele mikroskopowe dostarczą dane wejściowe do makroskopowego modelowania. Finalnym krokiem w podejściu wieloskalowym będzie numeryczna symulacja testu zginania zminiaturyzowanych próbek (ang. small punch test), która jest nową metodą określania wytrzymałości materiału zyskująca coraz większą popularność. Modele numeryczne zostaną zweryfikowane na podstawie wyników własnych badań eksperymentalnych przeprowadzonych w ramach projektu. Testy wytrzymałościowe zostaną przeprowadzone w dwóch skalach: mikroskopowej i makroskopowej. Podejście doświadczalne oraz numeryczne zostanie wykorzystane do przewidywania procesów deformacji i wytrzymałości mechanicznej trzech rodzajów materiałów. Kompozyt na osnowie NiAl wzmocniony cząstkami korundowymi (Al2O3) o różnej wielkości zbrojenia został wybrany jako materiał charakteryzujących się kruchym rodzajem deformacji. Kompozyty na osnowie miedzianej oraz niklowej wzmocnione węglikiem krzemu (SiC) o różnej wielkości zbrojenia zostały wytypowane jako materiału o charakterystyce plastycznej. Kompozyt Ni-SiC zostanie opracowane jako nowy kompozyt wytwarzany technikami spiekania. Procesy deformacji i zniszczenia kompozytów będą badane pod względem zawartości objętościowej i składu zbrojenia.

 

 

Ad. 2. Projekt PRELUDIUM pt.: Wpływ druku 3D na właściwości akustyczne materiałów porowatych, kierownik Kamil Opiela

Powszechnie wiadome jest, że materiały porowate są skutecznymi absorberami akustycznymi. Posiadają one doskonałe właściwości tłumiące dzięki specyficznej strukturze wewnętrznej obejmującej szkielet i 'puste' przestrzenie (pory) wypełnione płynem. Stale rozwijające się techniki wytwarzania przyrostowego pozwalają obecnie na tworzenie porowatych próbek o określonej mikrogeometrii. Ich zmierzone parametry akustyczne zwykle jednak różnią się od zaprojektowanych z powodu pewnych wad produkcyjnych i innych niedoskonałości. Odpowiednie ulepszenie modelowania, które dostosuje do rzeczywistości symulacje komputerowe propagacji fal i pochłaniania dźwięku w takich ośrodkach, powinno ostatecznie przynieść znaczne korzyści z praktycznego punktu widzenia.

Dotychczas wykazano, że tłumienie fal akustycznych w wydrukowanych sztywnych okładzinach porowatych jest wyraźnie niedoszacowane przez obliczenia numeryczne wykorzystujące standardowe modele. Główny postulat, który zostanie wysunięty w projekcie na podstawie tej obserwacji, dotyczy wpływu technologii wytwarzania przyrostowego na właściwości akustyczne otrzymywanych próbek. Można go sformułować następująco: w wyniku procesu drukowania w trójwymiarze (3D) powstają chropowate powierzchnie szkieletu materiału, i dlatego pewne udoskonalenia istniejących modeli propagacji fal w ośrodkach porowatych są niezbędne do uzyskania wiarygodnych symulacji. Według innej hipotezy, istotne rozbieżności mogą wynikać z dodatkowej mikroporowatości, która została przypadkowo utworzona w szkielecie na etapie formowania i jest znacznie mniejsza co do charakterystycznych rozmiarów 'pustek' niż główna porowatość. Te dwie możliwości zostaną szczególnie sprawdzone w trakcie badania składającego się z czterech głównych części, a mianowicie: 1. Generowanie i przeprojektowywanie periodycznych struktur o porowatości otwartej; 2. Druk 3D próbek materiałów porowatych przy użyciu różnych technik wytwarzania przyrostowego; 3. Ocena otrzymanych próbek pod względem ich faktycznych właściwości akustycznych (eksperymenty w rurze impedancyjnej) i geometrycznej zgodności z odpowiednim modelem komputerowym; i 4. Analizy numeryczne oparte na istniejących (w dużej mierze nowych) modelach matematycznych oraz procedurach dla materiałów o pojedynczej i podwójnej porowatości. Działania te będą prowadzone mniej więcej jednocześnie. Po pierwsze, dane pomiarowe należy skonfrontować z wynikami wielkoskalowego modelowania bazującego na mikrostrukturze, aby zweryfikować i być może skorygować rezultaty wdrożenia oryginalnych opracowań teoretycznych i hipotez naukowych. Po drugie, wymiary i kształty skonstruowanych periodycznych komórek reprezentatywnych dla poszczególnych morfologii badanych ośrodków porowatych należy porównać pod mikroskopem z ich wyprodukowanymi odpowiednikami.

Powody wyboru tej tematyki badań są co najmniej trojakie. Po pierwsze, osiągnięcie celów projektu, zwłaszcza tych dotyczących potwierdzenia wszechstronności i niezawodności zastosowanego modelowania, z pewnością pociągnie za sobą szybki postęp naukowy w dziedzinie wydrukowanych w 3D materiałów redukujących hałas, ale nie tylko. Wynalezienie zaawansowanych, zorientowanych na cel pochłaniaczy dźwięku o zoptymalizowanej mikrogeometrii i umiarkowanej grubości (tj. wadze) oraz charakteryzujących się doskonałą wydajnością w rozważanych zakresach częstotliwości jawi się być wciąż przedmiotem żywego zainteresowania przemysłu lotniczego i motoryzacyjnego. Jeśli wytwarzanie takich nowoczesnych porowatych struktur zakończy się sukcesem, nieoceniony pozytywny wpływ społeczny i środowiskowy związany z ogólnym tłumieniem hałasu wydaje się dość oczywisty. Wreszcie, niektóre makroskopowe właściwości materiałowe wprowadzane do modeli propagacji dźwięku i jego pochłaniania w ośrodkach porowatych (przepuszczalność, krętość, itp.) mogą również mieć znaczenie dla różnych teorii w zastosowaniach innych niż akustyka, na przykład w biotechnologii, medycynie, czy geotechnice.

 

Załączona ilustracja (umieszczona powyżej w opisie projektowym) przedstawia periodyczną komórkę reprezentatywną szkieletu rzeczywistej piany metalowej złożoną z czterech nieperiodycznych komórek oraz ich odbić lustrzanych wydrukowanych w technologii osadzania topionego materiału w powiększeniu 12.5x

Kategoria A Plus

IPPT PAN

logo ippt            ul. Pawińskiego 5B, 02-106 Warszawa
  +48 22 826 12 81 (centrala)
  +48 22 826 98 15
  director@ippt.pan.pl

Znajdź nas

mapka.jpg

© Instytut Podstawowych Problemów Techniki Polskiej Akademii Nauk 2021