Długo oczekiwana modernizacja metody produkcji materiałów ceramicznych
Tworzywa ceramiczne to jedne z pierwszych materiałów, których wytwarzanie opanowali nasi przodkowie, uzyskując z nich między innymi płytki ceramiczne, wyroby garncarskie czy cegły. Biorąc pod uwagę tę wielowiekową tradycję – pierwsze figurki przedstawiające ludzi i zwierzęta pojawiły się około 24 000 lat przed naszą erą – można by pomyśleć, że współcześni producenci wyrobów ceramicznych stosują dopracowane technologie, odznaczające się minimalnymi lub zerowymi stratami i defektami. Rzeczywistość jest jednak inna. Technologia produkcji materiałów ceramicznych nie zmieniła się za bardzo na przestrzeni lat. Nadal otrzymuje się je za pomocą formowania – polegającego na kształtowaniu produktów z nieorganicznych proszków, z dodatkiem wody lub bez niej – oraz wypalania tak otrzymanej struktury w wysokiej temperaturze, zwykle powyżej 1000°C. „Oba etapy mają kluczowe znaczenie dla właściwości mechanicznych i jakości produktu końcowego, ale nawet dziś obróbka i projektowanie wyrobów ceramicznych wykonywane są głównie metodą prób i błędów”, tłumaczy prof. Andrea Piccolroaz, koordynator projektu CERMAT2 (New ceramic technologies and novel multifunctional ceramic devices and structures). „Efektem jest bardzo duża ilość wyrobów wybrakowanych, co ma wpływ nie tylko na koszt produkcji, ale także na oddziaływanie przemysłu ceramicznego na środowisko. Nie powinno dziwić, że branża ceramiczna należy do najbardziej energochłonnych i odpowiada za dużą część emisji gazów cieplarnianych oraz zanieczyszczeń”. Celem projektu CERMAT2 jest zrewolucjonizowanie przemysłu ceramicznego, tak by doprowadzić do odejścia od tradycyjnych metod na rzecz bardziej racjonalnego i naukowego podejścia. Podejście to, oparte na zaawansowanym modelowaniu mechaniki nieliniowej, obejmowałoby matematyczne modelowanie konstytutywne materiałów ceramicznych, analizę eksperymentalną, charakterystykę oraz symulację numeryczną wykorzystującą metodę elementów skończonych. Cel? Zoptymalizowanie procesu projektowania dzięki wykorzystaniu prototypowania wirtualnego – umożliwiającego walidację projektów in silico za pomocą oprogramowania CAE bez użycia fizycznego prototypu. „Udało nam się opracować tę metodę, a ostatnio przekazaliśmy procedury numeryczne i oprogramowanie służące do optymalnego projektowania materiałów ceramicznych naszym partnerom przemysłowym”, cieszy się prof. Piccolroaz. „Oznacza to nie tylko rozwój wiedzy na temat materiałów ceramicznych, ale także krok w kierunku ich mechanicznego projektowania”. Prof. Piccolroaz zapewnia, że dzięki zastosowaniu wirtualnego prototypowania firmy mogą znacząco obniżyć koszty produkcji. Co więcej, narzędzia komputerowe opracowane w ramach projektu umożliwią przewidywanie właściwości mechanicznych końcowych elementów, co powinno przyczynić się do minimalizacji defektów, a tym samym zmniejszenia ilości wybrakowanych wyrobów. Projekt CERMAT2 został zakończony w październiku 2017 r., jednak prace są kontynuowane. Jednym z celów projektu było przeszkolenie nowej generacji młodych naukowców w zakresie zaawansowanego modelowania mechaniki nieliniowej i wdrażania metod numerycznych, mających zastosowanie w produkcji materiałów ceramicznych. Część badaczy założyła już prężny start-up, którego zadaniem jest rozwijanie metod opracowanych w ramach projektu CERMAT2 i upowszechnianie ich w branży ceramicznej. „Będziemy nadal z nimi współpracować, tak by nasza technologia stała się nowym standardem w produkcji wyrobów ceramicznych”, kończy prof. Piccolroaz.
Słowa kluczowe
CERMAT2, materiały ceramiczne, przemysł, wirtualne prototypowanie, koszty produkcji, wybrakowane wyroby
