Do budowy pojedynczego samolotu, takiego jak Airbus A380 czy Boeing 747-800, wykorzystuje się trzy miliony elementów złącznych. Nawet zakładając zachowawczo, że wiele takich elementów waży jedynie kilka gramów, mamy do czynienia z tonami nitów, wkrętów, śrub i nakrętek. Dlatego wiele uwagi poświęca się rozwojowi metod wykonywania tzw. połączeń integralnych, nie wymagających dodatkowych elementów (jak elementy złączne) ani procesów technologicznych (jak klejenie czy spawanie).
Tego typu połączenia z powodzeniem wykorzystywane są w produkcji elementów z tworzyw sztucznych, jednak ich adaptacja na potrzeby stosunkowo dużych struktur metalowych, często narażonych na duże obciążenia, nie jest łatwym zadaniem. Przykładem rozwiązania tego typu, opracowywanym do zastosowania w przemyśle lotniczym są połączenia Block Structures, opisane na naszych łamach przez inżynierów z PZL Mielec.
W ostatnim czasie w Sandia National Laboratory pracowano nad zastosowaniem strukturalnych metapowierzchni w podobny sposób. Oprócz typowych T- i L-kształtnych występów wygenerowano komputerowo różne wzory interfejsów, mających działać podobnie jak rzepy na ubraniu, tyle że w strukturach z materiałów konstrukcyjnych, przenoszących obciążenia. Pierwotnie analizowano połączenia tego typu, określane jako ILM (interlocking metasurfaces), pod kątem aplikacji pasywnej, a więc z wykorzystaniem mechanicznej siły działającej z zewnątrz. Zaobserwowano, że połączenia ILM wykazują efekt synergii, polegający na tym, że wytrzymałość całej struktury połączenia jest większa niż sumy poszczególnych substruktur [1].
Obecnie, w ramach programu realizowanego we współpracy z Texas A&M, badany jest potencjał aktywnych połączeń typu ILM, uzyskiwanych z wykorzystaniem technologii druku 3D i materiału z pamięcią kształtu.
Rozwój technologii wytwarzania przyrostowego pozwala przezwyciężać wiele dotychczasowych ograniczeń materiałowych i technologicznych. Jednym z obszarów zainteresowania inżynierii materiałowej, nabierających tempa dzięki zastosowaniu metod przyrostowych, są stopy z pamięcią kształtu, określane skrótem SMA (od ang. shape-memory alloy). Do najważniejszych materiałów SMA należą stopy oparte na miedzi: Cu-Zn i Cu-Al; żelazie: Fe-Mn i Fe-Ni-C; niklu: NiTi. Największą popularnością cieszy się wysoce trudnoobrabialny nitinol. Drukowany przestrzennie wykazuje podobne właściwości pamięci kształtu i superelastyczności, jak przypadku konwencjonalnych metod fabrykacji [2]. Nitinol wytrzymuje elastyczne obciążenia nawet trzydziestokrotnie większe od innych stopów. Zdeformowany w niższych temperaturach, np. w temperaturze pokojowej, wraca do pierwotnego kształtu po ogrzaniu do temperatury przemiany martenzytycznej (pamięć kształtu). Jeśli jest ogrzany powyżej temperatury przemiany martenzytycznej podczas działania siły, wraca do pierwotnego kształtu natychmiast po ustąpieniu obciążenia (superelastyczność).
Przy użyciu wytwarzania przyrostowego metodą LPBF (laser powder bed fusion), inżynierowie z Sandii i TAMU wykonali próbki połączeń ILM z pamięcią kształtu z nitinolu. Do wstępnych badań wytypowano dość proste geometrycznie elementy sczepne: zaciski-kleszcze i kotwy. Dla aktywnych arkuszy ILM wydrukowano odpowiadające arkusze pasywne ze stali nierdzewnej 316. Próbki zacisków typu kleszcze wykonano w konfiguracji 2×2 i 4×4, z zagęszczeniem 0,7/cm2, a próbki z zakotwieniem – w układzie 8×8, z zagęszczeniem 1,5/cm2.
Badania wytrzymałościowe wykazały skuteczność opracowanych geometrii połączeń i skuteczność efektu zmiany kształtu jako czynnika aktywującego połączenie. Potwierdzono także możliwości technologii LPBF w zakresie fabrykacji funkcjonalnych połączeń ILM z nitinolu. Dalsze badania będą poświęcone między innymi wykorzystaniu efektu superelastyczności w połączeniach ILM. Technologia tego typu połączeń może stanowić przełom w dziedzinie montażu przemysłowego wszędzie tam, gdzie wymagane są precyzyjne połączenia z możliwością powtarzalnego łączenia i rozłączania.
Jacek Zbierski
Bibliografia:
[1] Alagha, A.N. et al.: Additive manufacturing of shape memory alloys: A review with emphasis on powder bed systems, Materials & Design, Volume 204, 2021, 109654
[2] Young, B. et al.: Synergistic strengthening in interlocking metasurfaces, Materials & Design, Volume 227, 2023, 111798
[3] Elsayed, A. et al.: Active interlocking metasurfaces enabled by shape memory alloys, Materials & Design, Volume 244, 2024, 113137
engineering.tamu.edu
sandia.gov
artykuł pochodzi z wydania 11/12 (206/207) listopad/grudzień 2024
