Zaawansowane materiały i trwalsze komponenty przemysłowe dla ekstremalnych warunków pracy
Opracowanie trwałych materiałów i komponentów, które będą w stanie wytrzymać wysokie temperatury lub wiele cykli ogrzewania i chłodzenia powodujących rozszerzanie się i kurczenie materiałów, stanowi olbrzymie wyzwanie dla inżynierów. Stosowanie technologii produkcji charakteryzujących się niższym zapotrzebowaniem na materiały pozwala na zmniejszenie zużycia energii oraz surowców, jednocześnie pozwalając na wdrażanie nowych metod produkcji komponentów maszyn odpornych na wysokie temperatury i korozję.
Wyzwania utrudniające zrównoważone tłoczenie na gorąco
Zespół finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu HIPERMAT koncentrował się na rozwiązaniu obejmującym piec z osprzętem walcowniczym, wykorzystywanym w procesie tłoczenia na gorąco. Ten proces produkcyjny, wykorzystywany między innymi w przemyśle motoryzacyjnym, pozwala na wytwarzanie dużych ilości lekkich komponentów na potrzeby nadwozi pojazdów. Piec stanowi jednak najbardziej energochłonny element procesu, a jednocześnie charakteryzuje się najwyższym zapotrzebowaniem na surowce. Co więcej, praca pieca wiąże się z trudnymi warunkami - temperatury wewnątrz pieca dochodzą do 1000 stopni Celsjusza, masa elementów oraz obrabianych blach stanowi źródło dużych obciążeń, a wysoka temperatura w komorze pieca oraz ciągły proces podgrzewania powodują powstanie żrącej atmosfery. Te trudne warunki pracy prowadzą do zróżnicowanych awarii. Co więcej, regularne konserwacje oraz konieczność wymiany podzespołów pieców powoduje spadki wydajności produkcji. Prowadzą też do zwiększenia zapotrzebowania na energię i zasobów - wszystko to z powodu zapotrzebowania na krytyczne surowce wymagane do produkcji komponentów.
Nowatorskie materiały rozwiązują problemy w sektorze tłoczenia na gorąco
Stawiając sobie za cel dopracowanie procesu tłoczenia na gorąco i sprawienie, że stanie się bardziej zrównoważony, zespół projektu HIPERMAT wykorzystał zaawansowane narzędzia projektowe w celu optymalizacji doboru materiałów i trwałości komponentów. Rezultatem prac było opracowanie i zweryfikowanie stopów odpornych na wysokie temperatury i korozję, które objęły warianty ogniotrwałej stali nierdzewnej i inne stopy stosowane w warstwach ochronnych. „Typowe ogniotrwałe stale nierdzewne zawierają szeroki zakres standardowych pierwiastków chemicznych, takich jak węgiel, nikiel i chrom. Ograniczając proporcje tych pierwiastków w stopie i włączając inne surowce, na przykład niob, wolfram i molibden, możemy zmienić mikrostrukturę stopu, poprawiając jego wytrzymałość oraz zachowanie w wysokiej temperaturze”, wyjaśnia Fernando Santos, koordynator projektu.
Zaawansowane techniki produkcji trwalszych komponentów
Produkcja gotowych komponentów z ulepszonych stopów wymagała zastosowania zaawansowanych technik wytwarzania przyrostowego, takich jak laserowe osadzanie metalu, aplikowanie powłok ceramicznych oraz wykorzystanie ablacji. „Produkcja komponentów maszyn działających w środowiskach charakteryzujących się wysokimi temperaturami wymaga zwykle dostosowania właściwości materiałów sypkich. Wykorzystanie techniki laserowego osadzania metalu oraz techniki naddźwiękowego natryskiwania płomieniowego (HVOF) powłok pozwala na stosowanie drogich stopów wyłącznie na powierzchni, a także wykorzystanie tańszego stopu do wytworzenia rdzenia elementu”, podkreśla Santos. „Ta metoda naprawy i przywracania warstwy zewnętrznej, która pozwala na uniknięcie konieczności wymiany całego elementu, stanowi przełom z punktu widzenia wykorzystania zasobów”. Technologia ablacji, stosowana w procesie produkcji materiałów sypkich, umożliwia modyfikację niejednorodnej mikrostruktury powstałej w wyniku wykorzystania tradycyjnych procesów odlewania stali. Powstałe stopy charakteryzują się mniejszymi oraz równomiernie rozmieszczonymi węglikami, co zwiększa odporność na pełzanie i podwaja wartości prądu. Po przeprowadzeniu kompleksowych testów niszczących i nieniszczących, nowe komponenty zostały zainstalowane w prawdziwym piecu wykorzystywanym w procesie tłoczenia na gorąco, a ich osiągi były stale monitorowane za pomocą zaawansowanej sieci wbudowanych czujników i narzędzi do przetwarzania danych. „Tradycyjne czujniki są umieszczane w ścianach, suficie i podłodze pieca - nigdy w pobliżu obrabianych elementów. Możliwość drukowania czujników dzięki technologii laserowego osadzania metalu oraz umieszczania ich w funkcjonalnych podzespołach znajdujących się w pobliżu elementów, co umożliwia dokładniejsze sterowanie procesem i poprawę jakości obrabianego elementu. „Kluczowym wyróżnikiem projektu HIPERMAT jest fakt, że nasi badacze wykorzystują analizy oparte na danych, zamiast opierać się na konwencjonalnych symulacjach fizycznych. Dzięki temu podejściu otrzymujemy algorytmy, które pozwalają na wskazanie kluczowych zmiennych, co z kolei umożliwia szybszy rozwój nowych materiałów o zaawansowanych właściwościach, które są w stanie wytrzymać trudne warunki pracy”, podsumowuje Santos. Koncentrując się na optymalizacji doboru materiałów i technik produkcji, zespół projektu HIPERMAT przyspieszył rozwój ulepszonych materiałów, które pozwalają na znaczące zmniejszenie zużycia energii i zasobów w procesach przemysłowych.
Słowa kluczowe
HIPERMAT, stopy, tłoczenie na gorąco, wysokie temperatury, korozja, powłoki ceramiczne, ablacja, laserowe osadzanie metali, analiza danych, symulacje fizyczne, przemysł przetwórczy, przemysł energochłonny
