Skip to main content

Article Category

Article available in the folowing languages:

Trójwymiarowe elastyczne komponenty uzyskane techniką plazmową

Pionierskie rozwiązanie techniczne pozwala uzyskiwać materiał, który łączy w sobie lekkość i stabilność ceramiki z wytrzymałością metalu. Odkrycie to może okazać się niezwykle cenne dla wszystkich sektorów, w których wykorzystywane elementy muszą pracować w warunkach ekstremalnych, na przykład w sektorze transportu powietrznego czy medycznym.

Badania podstawowe

Plazma technologiczna to gaz złożony z cząstek posiadających ładunek elektryczny. Ta jego cecha ułatwia przeprowadzanie reakcji chemicznych. Dlatego właśnie większość procesów czyszczenia powierzchni materiałów, trawienia jej czy modyfikowania przeprowadza się w atmosferze plazmy. Koordynator projektu 3D Cer-Met project Allan Matthews, profesor inżynierii powierzchniowej i tribologii na Uniwersytecie w Manchester (Zjednoczone Królestwo) wyjaśnia: „Chcieliśmy jeszcze bardziej rozwinąć tę metodę. Podczas prac nad tym projektem staraliśmy się wykorzystać plazmę do przeprowadzenia cienkościennych metali, na przykład folii aluminiowej w fazę ceramiczną. W praktyce oznacza to uzyskanie trójwymiarowych obiektów o cienkich ściankach, które wykazują głównie właściwości typowe dla ceramiki – są lekkie i chemicznie stabilne – a przy tym zachowują wytrzymałość metalowego rdzenia”. Matthews był pewien, że nowa metoda otworzy drogę do produkcji nowych rozwiązań, które znajdą zastosowanie w produktach tak różnych, jak urządzenia medyczne czy części samolotowe i samochodowe.

Elastyczne komponenty trójwymiarowe

Projekt 3D Cer-Met rozpoczął się w styczniu 2019 r. Jego celem było zbadanie, jak osiągnąć proces opisany wcześniej proces. Zasadza się on na wynikach fundamentalnych publikacji powstałych podczas trwania finansowanego przez ERBN projektu IMPUNEP. Koncentrował się on na poznaniu procesów, w których wykorzystuje się plazmę, i ich zastosowań. Matthews mówi: „Ten projekt rozszerzył nasze badania. Musieliśmy nauczyć się, jak kontrolować proces tak, aby tempo wzrostu fazy ceramicznej było jednorodne na całej złożonej powierzchni trójwymiarowego kształtu”. Osiągnięcie tego celu byłoby niemożliwe bez dogłębnego zrozumienia specyfiki przekształcania metali w ceramikę. Dlatego też zespół naukowców musiał opracować nowe metody badawcze. Matthews zauważa: „Dzięki tej pracy zdołaliśmy pokazać, że podejście, które proponujemy jest możliwe. Opracowaliśmy prototypy ceramiczno metalowych kompozytów o bardzo cienkich ściankach i złożonych kształtach – wszystko w skali laboratoryjnej. Udało się nam też zrozumieć proces na tyle, by wiedzieć, w jaki sposób przenieść go do większej skali i wykorzystać do tworzenia nowych kształtów oraz pracy z innymi materiałami wejściowymi”. W efekcie zespół zdołał zaprezentować, że możliwe jest tworzenie jednorodnych warstw ceramicznych na powierzchniach złożonych substratów metalowych.

Nowe możliwości techniczne

Główną korzyścią płynącą z podejścia zastosowanego podczas prac prowadzonych w ramach projektu 3D Cer-Met jest możliwość tworzenia struktur o skomplikowanych kształtach i cienkich ścianach. Takie komponenty są bardzo odporne na działanie żrących związków kwasowych i niezwykle dobrze znoszą zarówno niskie, jak i wysokie temperatury. „Osiągnięcie takich wyników za pomocą konwencjonalnych technik przetwarzania ceramiki nie byłoby możliwe”, dodaje Matthews. Wiedza uzyskana w wyniku prac nad projektem 3D Cer-Met posłuży do przeniesienia rozwiązań technologicznych w większą skalę. Matthews wyjaśnia: „Proces ten przyniesie niebywałe korzyści sektorom wytwórczym zainteresowanym produkcją i wykorzystaniem komponentów ceramicznych i ceramiczno-metalowych o zwiększonej wytrzymałości strukturalnej i rozbudowanej funkcjonalności. Obecnie skupiamy się na nawiązaniu współpracy z partnerami przemysłowymi, którzy byliby zainteresowani wdrożeniem nowo rozwiniętej technologii”. Matthews jest przekonany, że kolejnym logicznym krokiem będzie podjęcie badań nie tylko nad przeskalowaniem technologii, lecz także nad jej zróżnicowaniem. Dzięki temu można będzie ją stosować do wytwarzania większych części, a także pracy z innymi metalami. Uczony dodaje: „Widzimy też pewien potencjał w cyfryzacji tej technologii produkcji. Badania, które przeprowadziliśmy dotychczas, w tym opracowane modele numeryczne oraz cyfrowe sterowanie procesem, stanowią solidną podstawę do prowadzenia działań w tym kierunku”. Matthews jest przekonany, że ostatecznie ta nowatorska metoda produkcyjna stanie się istotnym elementem w przyszłej ofercie technologii produkcji i przełoży się na rozwiązanie przyjazne dla środowiska oraz pozwalające wydajnie korzystać z zasobów, którymi dysponujemy.

Słowa kluczowe

3D Cer-Met, ceramika, metal, plazmy, aluminium, kompozyt, substraty

Znajdź inne artykuły w tej samej dziedzinie zastosowania