Innowacyjne moduły dla druku 3D, kompozytowy zbiornik dla strażaków i nowe materiały na narzędzia kuźnicze – tymi projektami zajmą się nasi laureaci konkursu „Lider” organizowanego przez NCBiR. Troje naukowców z Wydziału Mechanicznego PWr dostało na swoje badania blisko 5,5 mln zł.  

O grant z programu „Lider” mogą starać się doktoranci i nauczyciele akademiccy nieposiadający stopnia doktora oraz doktorzy, w tym habilitowani, którzy uzyskali ten stopień naukowy nie wcześniej niż w ciągu ostatnich siedmiu lat. 

Program wspiera młodych naukowców w samodzielnym planowaniu prac badawczych i zarządzaniu własnym zespołem badawczym podczas realizacji projektów, których wyniki mogą mieć praktyczne zastosowanie i mają potencjał wdrożeniowy. 

W rozstrzygniętej właśnie XV edycji konkursu finansowanie otrzymało w sumie 41 projektów na łączną kwotę 71,7 mln zł. Trzy granty trafią na Politechnikę Wrocławską, do naukowców z Wydziału Mechanicznego: dr. inż. Konrada Grubera, dr. inż. Pawła Stabli oraz dr inż. Aleksandry Królickiej.

Dr inż. Konrad Gruber (Wydział Mechaniczny) 

Niemal maksymalne dofinansowanie w wysokości 1,8 mln zł otrzymał dr inż. Konrad Gruber z Wydziały Mechanicznego na projekt „Topienie Laserowe Wspomagane Polem Magnetycznym i Ultradźwiękami”. 

– Pomysł powstał podczas moich wcześniejszych badań, szczególnie w trakcie stypendium Bekkera w Paul Scherrer Institute oraz projektu „Miniatura”, realizowanego we współpracy z Instytutem Fraunhofer IAPT. Badania te koncentrowały się na domieszkowaniu in situ stopów niklu w procesie wytwarzania przyrostowego (druk 3D), a ich celem było rozdrobnienie ziarna oraz poprawa trwałości zmęczeniowej uzyskanego materiału – mówi dr Gruber. 

Główne ograniczenia trwałości zmęczeniowej części metalowych, wytwarzanych metodą przyrostową, wynikają ze specyficznej mikrostruktury, obecności defektów, naprężeń resztkowych, chropowatości powierzchni oraz tekstury materiału. Domieszkowanie in situ pozwala częściowo kontrolować te defekty, ale jednocześnie prowadzi do uzyskania nowych materiałów o nieznanych jeszcze właściwościach. Ze względu na złożone warunki eksploatacyjne (korozyjne, termiczne, zmęczeniowe) przemysł często preferuje wdrażanie nowych technik wytwarzania opartych na znanych materiałach, nad wdrażaniem nowych materiałów.  

W tym kontekście pojawił się pomysł poszukiwania alternatywnych metod rozdrabniania ziarna w trakcie procesu przyrostowego, np. z wykorzystaniem pola magnetycznego lub ultradźwięków. W literaturze podejścia te określane są jako FAAM (ang. Field-Assisted Additive Manufacturing). 

– Chociaż metody FAAM są badane już od pewnego czasu, to nadal jednak brakuje wiedzy na temat ich zastosowania w technologii laserowego topienia proszków metali – technice, z którą najczęściej pracuję i która dominuje w zastosowaniach przemysłowych – tłumaczy dr Gruber. – Luki te dotyczą zarówno wpływu pola magnetycznego oraz ultradźwięków na przebieg procesu, jak i braku dostępnych rozwiązań komercyjnych umożliwiających takie eksperymenty. W toku badań planujemy wybrać jedną ze ścieżek FAAM, która wykaże największy potencjał wdrożeniowy – dodaje. 

Celem naszego naukowca jest opracowanie prototypowych modułów przeznaczonych do urządzeń PBF-LB/M. Umożliwią one prowadzenie procesu druku 3D w obecności pola magnetycznego i/lub ultradźwięków. Jednocześnie dr Konrad Gruber planuje udostępnić opracowaną technologię szerszemu gronu odbiorców. Liczy również, że projekt przyczyni się do wdrażania tych rozwiązań oraz ich dalszego wykorzystania przez środowiska naukowe, działy R&D, a docelowo również przemysł.  

Projekt FieldPBF zostanie zrealizowany przy współpracy dwóch grup badawczych – zespołu Wytwarzania Przyrostowego i Materiałów na Wydziale Mechanicznym oraz Laboratorium Wzorców i Metrologii Pola Elektromagnetycznego na Wydziale Informatyki i Telekomunikacji. 

W ramach projektu planowane są prace konstrukcyjno-projektowe oraz technologiczno-materiałowe. Badania potrwają 36 miesięcy i obejmą analizę techniczną, projektowanie oraz testowanie prototypów (również w środowiskach wirtualnych), a także eksperymenty dotyczące procesu PBF-LB/M wspomaganego polem magnetycznym i/lub ultradźwiękami, w tym analizę mikrostruktury, składu chemicznego oraz właściwości mechanicznych wytwarzanych materiałów. 

– Największym wyzwaniem będzie integracja opracowanego systemu z istniejącym urządzeniem PBF-LB/M oraz uzyskanie odpowiednich parametrów i rozkładów pola magnetycznego i/lub ultradźwięków, umożliwiających kontrolowany wpływ na krystalizację stopu. Powodzenie tych prac pozwoli na uzyskanie istotnych wyników naukowych dotyczących wpływu FAAM na proces PBF-LB/M, a opracowane moduły będą charakteryzowały się realnym potencjałem wdrożeniowym –podkreśla. 

Dr inż. Paweł Stabla (Wydział Mechaniczny) 

Niemal 1,8 mln zł otrzymał dr inż. Paweł Stabla z Wydziału Mechanicznego, który zrealizuje projekt „HyTank – hybrydowy zbiornik kompozytowy do magazynowania sprężonych gazów do zastosowania m.in. w strażackich aparatach oddechowych”. 

Jego pomysł zakłada zaprojektowanie i wykonanie prototypowego zbiornika kompozytowego o pojemności 6,8 l do magazynowania sprężonego powietrza. Ma on być lżejszy niż używany obecnie przez strażaków sprzęt wykonany ze stali i jednocześnie gwarantować większy zapas powietrza, co umożliwi dłuższy udział w akcji gaśniczej. 

– Butle strażackie mają obecnie ciśnienie robocze na poziomie 300 bar, co pozwala na udział w akcji przez dokładnie 51 minut. My chcemy przygotować zbiornik o ciśnieniu 450 bar, który wydłuży ten czas o 25 minut. Może się to wydawać niewiele, ale z punktu widzenia ratownika biorącego udział na przykład w akcji gaśniczej jakiegoś budynku ma ogromne znaczenie – mówi dr Stabla. –Konsultowaliśmy się ze strażakami i okazuje się, że nasze butle mogłyby rozwiązać szereg problemów. Obecnie używane stalowe butle ważą ok. 6 kg, a butle kompozytowe mogą być nawet o połowę lżejsze – dodaje. 

Projekt niesie ze sobą wiele wyzwań technicznych, technologicznych i naukowych, aby wraz ze wzrostem ciśnienia nie zwiększyć drastycznie masy samego zbiornika. W przygotowaniu prototypu naukowcy wykorzystają obliczenia numeryczne, a więc technologię tzw. „cyfrowego bliźniaka”, czyli wirtualne odwzorowanie rzeczywistego przedmiotu oraz sztuczną inteligencję do projektowania struktury oplotu kompozytowego ścian butli. 

– Nasz zbiornik ma być hybrydowy, czyli wykonany z wielu różnych materiałów. Obecnie najlepszym rozwiązaniem, ale również najbardziej kosztownym, są włókna węglowe. Chcemy je zastąpić włóknami szklanymi lub bazaltowymi, ale dopiero w testach zobaczymy, w jakim stopniu będzie to możliwe i które sprawdzą się lepiej. W przygotowanym kompozycie nie wszystkie warstwy będą narażone na równomierne obciążenia, dlatego tam, gdzie nie będzie to konieczne, znajdzie się słabszy, ale tańszy– wyjaśnia naukowiec. 

W ramach prowadzonych prac planowane są także testy wytrzymałościowe – ciśnieniowe, a więc aż do rozerwania butli, zmęczeniowe i temperaturowe. Efektem ma być prototyp gotowego zbiornika, który do wprowadzeniem na rynek będzie dzieliło już tylko uzyskanie odpowiednich certyfikatów.  

W realizację projektu zaangażowany będzie dziesięcioosobowy zespół, w skład którego wejdą naukowcy z Wydziałów Mechanicznego oraz Elektroniki, Fotoniki i Mikrosystemów, a także badacz z Brandenburskiego Uniwersytetu Technicznego Cottbus-Senftenberg. 

– Warto podkreślić, że zastosowań dla tego typu zbiorników ciśnieniowych jest naprawdę bardzo dużo. Najnowszym jest rynek zbiorników wodorowych, a w Polsce nie ma obecnie firm, które produkowałby dobre zbiorniki ciśnieniowe na wodór. Jeśli technologie wodorowe nadal będą się rozwijały tak dynamicznie, to widzimy tutaj ogromny potencjał dla naszych rozwiązań – dodaje dr Stabla.  

Projekt rozpocznie się we wrześniu 2025 r. i potrwa trzy lata. 

dr inż. Aleksandra Królicka (Wydział Mechaniczny) 

Badaczka z Katedry Obróbki Plastycznej, Spawalnictwa i Metrologii otrzymała ponad 1,7 mln zł na projekt „Nowe materiały na narzędzia kuźnicze – nanokrystaliczne stale bainityczne wspomagane procesem azotowania niskotemperaturowego (NitroBain4Tools)”. Projekt potrwa 36 miesięcy i zakłada opracowanie nowej klasy materiałów do zastosowań na narzędzia do kucia na ciepło i gorąco o wyższej trwałości w porównaniu do obecnych materiałów.  

– Narzędzia kuźnicze pracujące w podwyższonej temperaturze narażone są na wysokie obciążenia termiczne oraz mechaniczne, co prowadzi do ich ograniczonej trwałości. Poprawa trwałości narzędzie kuźniczych przyczyni się do obniżenia kosztów produkcji elementów poddawanych procesom kucia na ciepło i gorąco – wyjaśnia dr Królicka.  

Oprócz koncepcji projektowej nowych materiałów, w ramach projektu zostanie również zaproponowana technologia azotowania niskotemperaturowego w celu dalszej poprawy trwałości narzędzi kuźniczych o strukturze bainitycznej, które do tej pory nie były wykorzystywane w tym obszarze. 

– Największym wyzwaniem będzie optymalizacja zarówno struktury bainitycznej, jak i warstwy azotowanej, co związane będzie z projektowaniem składu chemicznego stali, doborem obróbki cieplnej oraz parametrami procesu azotowania – mówi badaczka. – Ze względu na złożony charakter zjawisk zachodzących w materiale istotna będzie metodyka badawcza ukierunkowana na zaawansowane metody charakteryzacji (EBSD, TEM, XRD). Z tego względu opracowanie relacji struktura-właściwości stanowi jeden z najważniejszych wyzwań, które będzie wpływało końcową trwałość narzędzi kuźniczych – dodaje. 

W realizację projektu zaangażowany będzie interdyscyplinarny zespół młodych naukowców reprezentujący dwie dyscypliny naukowe – inżynierię mechaniczną oraz inżynierię materiałową. W skład zespołu wejdzie także badacz z Politechniki Śląskiej, który pomoże w zakresie badań dylatometrycznych. 

– W zakresie prac rozwojowych zostaną przeprowadzone testy eksploatacyjne z wykorzystaniem prototypów narzędzi w procesie produkcyjnym odkuwek wytwarzanych z wykorzystaniem obróbki plastycznej na ciepło/gorąco w jednym z przedsiębiorstw kuźniczych na terenie kraju. Zatem zoptymalizowane narzędzie kuźnicze zostaną zweryfikowane w procesie produkcyjnym, co umożliwi bezpośrednią ocenę ich konkurencyjności w stosunku do obecnie stosowanych narzędzi – tłumaczy dr Królicka.  

Pełną listę laureatów można znaleźć na stronie NCBiR. 

mic