24 października 2021


Projektanci i inżynierowie z całego świata poszukują nowoczesnych materiałów konstrukcyjnych do zaawansowanych zastosowań, oczekując takiego zestawienia cech użytkowych, aby oprócz podstawowego przeznaczenia pozwalało również na wielofunkcyjne jego zastosowanie. Z punktu widzenia zarówno ekologii jak i ekonomii, materiał ten powinien umożliwiać obniżenie masy konstrukcji, a dzięki temu – zmniejszenie nakładu surowców i wydatku energetycznego w trakcie procesu wytwarzania. Niższa masa wiąże się dodatkowo, np. w przemyśle motoryzacyjnym czy lotniczym, z oszczędnością energii, również w trakcie użytkowania pojazdów wykonanych z lekkich materiałów. Największym wyzwaniem podczas projektowania lekkich materiałów jest zachowanie dobrego stosunku sztywności do masy.

Mirosław Cholewa, Werner Hufenbach, Andrzej Czulak, Tomasz Szuter, Piotr Malczyk, Bartłomiej Przybyszewski

Własności mechaniczne, termiczne, akustyczne metalowych i ceramicznych materiałów komórkowych zapewniają im szerokie pole praktycznego zastosowania. Obecnie stosowane technologie wytwarzania zapewniają możliwości produkcji ultralekkich konstrukcji absorbujących energię uderzenia, rozpraszających czy przewodzących ciepło [1]. Oprócz doskonałych własności termomechanicznych istotne są również inne aspekty wytwarzania, jak choćby koszty produkcji czy dostępność technologii. Materiały komórkowe, takie jak piany czy gąbki metaliczne, znane są na świecie od wielu lat [2–4]. Rozwój tego typu materiałów podyktowany jest rozwojem technik wytwarzania oraz coraz lepszymi narzędziami projektowania i przewidywania własności mechanicznych konstrukcji. Niekorzystną cechą materiałów komórkowych jest losowe rozmieszczenie oraz kształt porów uniemożliwiające dokładne przewidywanie mechanizmów odkształcenia i niszczenia takiego materiału. Ponadto skomplikowana geometrycznie struktura materiałów kompozytowych znacznie utrudnia ocenę ich własności i końcową kontrolę jakości.
Odlewy szkieletowe (Rys. 1) to rozwiązanie opracowanie w Katedrze Odlewnictwa Politechniki Śląskiej i częściowo badane w Instytucie Konstrukcji Lekkich i Przetwórstwa Tworzyw Sztucznych Politechniki Drezdeńskiej. Są to konstrukcje analogiczne do przestrzennych struktur kratownicowych, szerzej opisanych w innych publikacjach [5–7]. Mają one znaczną przewagę nad elementami tego typu, stosowanymi do tej pory między innymi ze względu na prostą technologię wytwarzania [8–11]. Dzięki daleko posuniętym badaniom nad własnościami reologicznymi ciekłych stopów metali prowadzonym w Katedrze Odlewnictwa Politechniki Śląskiej udało się opracować technologię wytwarzania odlewów o skomplikowanej geometrii wewnętrznej. Przy użyciu technik odlewniczych możliwe jest wytworzenie odlewu szkieletowego, którego makrostruktura wewnętrzna może być dostosowana do przewidywanego zastosowania już na etapie projektowania. Przykładowe odlewy o zróżnicowanej topologii przedstawione zostały na rysunku 1.

przykladowe-topologie-odlewow-
Rys. 1  Przykładowe topologie odlewów szkieletowych opracowane w Katedrze Odlewnictwa Politechniki Śląskiej

cały artykuł dostępny jest w wydaniu 12 (63) Grudzień 2012