Bilten Razreda za tehničke znanosti Hrvatske akademije ...titan.fsb.hr/~tfiletin/en/data/_uploaded/clanci/Filetin_Bilten 2_09... · Pod pojmom "novi ili suvremeni ... područjima

1

Bilten Razreda za tehničke znanosti Hrvatske akademije znanosti i umjetnosti, br.2, 2009, 7-32

INOVIRANJE PROIZVODA I MATERIJALI

Tomislav Filetin Sveučilište u Zagrebu, Fakultet strojarstva i brodogradnje,

Zavod za materijale SAŽETAK Konstrukcijsko oblikovanje, izbor materijala i izbor procesa proizvodnje osnovne su i povezane aktivnosti pri razvoju varijanti proizvoda. Često se do novih rješenja dolazi inovativnom primjenom novih ili postojećih materijala poboljšanih svojstava. Znanost i inženjerstvo materijala neprestano stvara vrlo veliku količinu novih znanja koja se mogu uspješno primijeniti u različitim područjima tehnike i svakodnevnog života. Razvoj suvremenih materijala rezultat je znanstvenih pristupa, interdisciplinarne suradnje temeljnih i inženjerskih disciplina, primjene kvantitativnih metoda odlučivanja, modeliranja simulacija i računala. U ovom prikazu kratko se opisuje metodologija izbora materijala, prednosti odabranih skupina novih materijala. Nekoliko primjera proizvoda ilustrira kako su oni razvijeni primjenom suvremenih materijala. Ključne riječi: razvoj proizvoda, izbor materijala, primjena naprednih materijala ABSTRACT Design of products, selection of material and choice of manufacturing processes are the basic and interconnected activities in the development of the product variants. The new product solutions are often a result of innovative application of the new materials or materials with the improved properties. Materials science and engineering produce continually a very large volume of new knowledge’s which could be applied in the different engineering and non-engineering fields. Development of advanced materials is a result of the scientific approaches, interdisciplinary cooperation between fundamental and engineering applied sciences, application of quantitative decision making methods and computer aided modelling and simulations. In this review the methodology of material selection, the advantages of selected groups of novel materials are described. The same examples of the products illustrate how they are developed thanks to application of advanced materials. Key words: product development, materials selcetion, application of advanced materials 1. UVOD Inovacije u konstrukcijskom oblikovanju proizvoda i u procesima proizvodnje bitno su određene svojstvima tehničkih materijala. Iskustva iz najrazvijenijih zemalja pokazuju da se primjenom suvremenih materijala i pripadajućih tehnologija ostvaruju vrlo značajne prednosti na tržištu. Istraživanje, razvoj i primjena novih materijala te pripadajućih proizvodnih postupaka spada – uz genetiku i biotehnologiju, informatiku i komunikacije, u “generičke” discipline znanosti i tehnike. Znanost i inženjerstvo materijala stvara vrlo velik broj inovacija, bitnih za niz drugih grana tehnike. Primjena suvremenih materijala izaziva razvoj proizvoda poboljšanih karakteristika, naročito u sljedećim industrijskim granama [1]:

a) Industrija strojeva i alata – za klasične metalne materijale razvijaju se nove tehnologije oblikovanja na gotovo konačan oblik – metalurgija praha, injekcijsko prešanje metala, istiskivanje u tjestastom (semi-solid) stanju, precizno i tlačno lijevanje i dr. Za alate i dijelove izvrgnute trošenju rabe se oksidne i sve više neoksidne vrste tehničke keramike. Postupci modificiranja i prevlačenja dijelova strojeva i alata omogućuju bitno povećanje trajnosti (otpornosti na trošenje i korozijske postojanosti).

2

b) Industrija vozila – u težnji da automobili i druga vozila imaju što manju masu, što veću sigurnost i uz to što nižu cijenu, raste udio primjene čelika povišene čvrstoće, polimernih materijala I njihovih kompozita, aluminijevih i magnezijevih legura, tehničke keramike i dr.

c) Energetska i procesna postrojenja, industrija nafte i plina – u primjenu su ušle modificirane vrste martenzitnih, austenitnih i duplex čelika povišene mehaničke otpornosti pri visokim temperaturama, bolje otpornosti na selektivne oblike korozije te otpornosti na visokotemperaturnu oksidaciju. Ni i Co-superlegure, keramika i keramički kompoziti omogućuju povišenje radne temperature plinskih turbina i njihovog stupnja djelovanja. Od istraživanja i razvoja novih materijala puno se očekuje u području solarnih fotovoltaičkih sustava.

d) Zrakoplovna industrija – u zadnjih 30-tak godina iznimno je povećan udio polimernih kompozita u gradnji trupa putničkih zrakoplova. Za lopatice plinske turbina rabe se monokristali superlegura nikla, te toplinska zaštita s keramičkim prevlakama. Tehnička keramika i keramički kompoziti primjenjuju se sve više za toplinski najopterećenije dijelove pogonskih sustava.

e) Kućanski aparati – polimerni materijali omogućili su velikoserijsku, sve jeftiniju, proizvodnju lakših i estetski atraktivnijih aparata. Uz to, ključne prednosti u odnosu na druge skupine materijala su: dobra kemijska postojanost, izolacijska svojstva i dobro prigušenje vibracija.

f) Sportski rekviziti i industrija zabave (npr.: skije, bicikli, daske za jedrenje, igračke i sl.) – polimerni materijali i njihovi kompoziti gotovo su potpuno potisnuli iz primjene drvo i metalne materijale.

g) Medicina – nove vrste nehrđajućih čelika, Ti-legura, Co-legura i pametnih legura rabe se za implantate i fiksatore, istražuju se i primjenjuju polimerni materijali za medicinske aparate, krvne žile, umjetnu kožu. Vanjski fiksatori i proteze izrađuju se od polimernih kompozita itd.

h) Elektronika i komunikacije – npr. silicij je omogućio razvoj današnjih računala, a očekuje se njihov još nagliji razvoj primjenom nanocijevčica ugljika. Staklena vlakna su također izazvala revoluciju u načinu i brzini prijenosa informacija.

i) Optika i optoelektronika – npr. postupcima modificiranja površina dobivaju se ultratanki slojevi na različitim podlogama, koji imaju posebna svojstva.

j) Nova područja – razvoj unutar mikrosistem tehnike, senzorike, bionike, mikroelektronike, adaptronike velikim je dijelom obilježen novim materijalima.

Današnji razvoj materijala odvija se primjenom znanstvenih pristupa, interdisciplinarnom suradnjom fundamentalnih i primijenjenih disciplina, kvantitativnih metoda i računala, a ne kao nekad na osnovi vještina i empirije. Tako su npr. mikrolegirani čelici, čelici povišene čvrstoće i korozijske postojanosti, Ti-legure, Ni i Co-superlegure, poluvodiči, legure s efektom prisjetljivosti oblika, kompozitni materijali, tehnička keramika, intermetalni spojevi i drugi današnji materijali rezultat vrhunskih znanstvenih istraživanja. 2. DINAMIKA ISTRAŽIVANJA, RAZVOJA I PRIMJENE MATERIJALA U otkrivanju i proizvodnji novih materijala, u pravilu nema više slučajnosti, nego je posljedica smišljenog, organiziranog, kontinuiranog djelovanja. Karakteristike današnjih istraživanja materijala jesu: multidisciplinarnost i velika novčana ulaganja, nove analitičke metode i suvremena instrumentacija i oprema za sintezu materijala, računalno modeliranje i simulacije – projektiranje materijala željenog sastava, strukture i svojstava, kvantifikacija strukture i procesa u nano- i mikrosvijetu. Posljedica takvog djelovanja je pojava velikog broja raznovrsnih materijala. Prema nekim tvrdnjama u posljednjih 70-tak godina u primjenu je ušlo toliko vrsta materijala koliko u svim prethodnim stoljećima! Procjene govore da raspolažemo s više od 70.000 različitih vrsta tehničkih materijala [2]. Pod pojmom "novi ili suvremeni materijal" podrazumijeva se:

Bitno novi sastav, struktura i svojstva materijala, Bitno novi proces proizvodnje i oblikovanja, Nova područja primjene u odnosu na “klasične” materijale - relativno jer ovisi o znanju

korisnika; na primjer: mikrolegirani sitnozrnati čelici povišene čvrstoće ili PH čelici su poznati već 20 do 30 godina, ali su u našoj praksi još relativno nepoznati i izazivaju probleme u primjeni.

3

Od ideje, patentne zaštite materijala do njegove industrijske primjene može proteći barem 10 do 15 godina, a kod složenijih problema i više desetaka godina. Tako se npr. prvi patenti o metalnim pjenama pojavljuju prije skoro 50 godina, a one još nisu komercijalno raširene u primjeni. Zato je važan trenutak pravovremenog uključenja u određenu fazu istraživanja, razvoja i primjene materijala (slika 1). Prema stupnju razvoja, primjene i komercijalizacije materijali se mogu svrstati u sljedeće kategorije: u fazi istraživanja - npr. nanokompoziti, elektrovodljivi polimeri, u ranoj fazi komercijalizacije – npr. amorfni metali, metalne pjene, pametni polimeri, nove kombinacije materijala – npr. polimeri/drvo kompoziti, plastomeri ojačani ugljičnim vlaknima, u neočekivanim (novim) područjima primjene – npr. pultrudirani polimerni kompoziti u

graditeljstvu, keramički kompoziti za kočione sustave.

Slika 1: Dinamika uvođenja novih materijala u primjenu

U nekim područjima troškovi razvoja proizvoda dopuštaju raniju primjenu naprednih ali ujedno i skupljih materijala (slika 2). Analize i iskustva iz primjene pokazuju da je prodor novih materijala ponajprije moguć u zrakoplovstvu i svemirskoj tehnici, medicini i stomatologiji te u proizvodnji sportske opreme. U klasičnim područjima tehnike teži se boljim karakteristikama proizvoda – npr. viša radna temperatura i učinkovitost plinskih turbina (slika 3), lakša motorvretena pogonskih sustava i robota s boljim prigušenjem vibracija (slika 4), ili povećanje brzine rezanja alatnih strojeva primjenom materijala veće otpornosti na trošenje i toplinske stabilnosti (slika 5).

4

Slika 2: Troškovi materijala u različitim područjima primjene [3]

Slika 3: Učinkovitost plinskih turbina ostvarena primjenom novih materijala i keramičkih prevlaka za njihove lopatice i komore izgaranja

5

Slika 4: Kućište motorvretena od različitih materijala [4]

Slika 5: Povećanje brzine rezanja alata napravljenih od suvremenih materijala [5] 3. VEZA IZBORA MATERIJALA, KONSTRUIRANJA I TEHNOLOGIJE Primaran zadatak svake proizvodnje je proizvesti kvalitetnije uz što bolja uporabna svojstva, ljepši izgled i nižu cijenu. Navedeno je moguće postići unapređenjem proizvodnih postupaka izrade i konstrukcijskih rješenja, ali i pravilnim izborom materijala (slika 6). Niz današnjih proizvoda ima mnogo bolja svojstva nego što su ih imali nekad, zahvaljujući upravo primjeni suvremenih materijala. Stoga je izbor optimalnog materijala bitna sastavnica procesa razvoja novih i usavršavanja postojećih proizvoda.

6

Slika 6: Povezanost konstrukcijskog oblikovanja, izbora materijala i načina proizvodnje [6]

Sama činjenica da se u konstrukcijskom odjelu donose odluke koje utječu na oko 70% troškova proizvoda govori o važnosti i odgovornosti svih aktivnosti u fazi kreiranja ideja o proizvodu i izrade tehničke dokumentacije. Proces razvoja proizvoda i izbora materijala određuju četiri osnovne skupine čimbenika: 1. Tehnički – funkcijski i eksploatacijski zahtjevi te svojstva proizvoda, proizvodna svojstva, energetska

svojstva, standardizacijska svojstva. 2. Ekonomski – troškovi razvoja i proizvodnje, cijena proizvoda, investicijski troškovi,

produktivnost i rentabilnost, mogućnosti kooperacije, diverzificiranost proizvoda, zemlje prodaje i dr. 3. Društveni, humani – potrebe čovjeka i društva, ergonomska svojstva, mogućnost recikliranja i utjecaj na

okoliš, kulturološka (estetska) i informacijska svojstva i dr. 4. Pravni – norme, zakoni, propisi, zaštita izuma, patenta, modela, postupka proizvodnje (know-how i know -

why) i dr. Analizom navedenih faktora u konkretnoj situaciji izvode se kriteriji vrednovanja konstrukcijskog rješenja. 3.1 METODOLOGIJA IZBORA MATERIJALA Sam tijek i složenost izbora materijala određen je prvenstveno vrstom i tipom proizvoda (razina zahtjeva funkcionalnosti, nosivosti, trajnosti, pouzdanosti, cijene i dr.). Ekstremni uvjeti rada uvjetuju i visoke zahtjeve na svojstva materijala. Neki najvažniji razlozi zamjene materijala kod postojećih proizvoda mogu biti:

pojava poboljšanih i novih materijala, poboljšanje karakteristika proizvoda, nezadovoljavajuće ponašanje materijala u proizvodnji, promijenjeni uvjeti rada u uporabi i kvarovi u uporabi uzrokovani materijalom – deformacije, lomovi, trošenje ili korozija, smanjenje troškova proizvoda te postizavanje bolje konkurentnosti, novi zahtjevi postavljeni na proizvod i materijale: recikličnost i zaštita okoliša, estetičnost,

taktilnost materijala, promijenjeni zahtjevi tržišta - moda, konkurentnost.

7

Sustavno prikupljanje povratnih informacije s tržišta i iz uporabe (razlozi učestale potražnje rezervnih dijelova, uzroci oštećenja primjedbe kupaca i sl.), posebno je važno za usavršavanje konstrukcije. Detaljnije informacije o ponašanju materijala bitne su za utvrđivanje uzroka katastrofalnih pojava u eksploataciji, odnosno propusta i promašaja pri konstruiranju. Pri donošenju odluke o zamjenskom ili novom materijalu treba misliti na to odgovaraju li sve njegove karakteristike, i je li nužno mijenjati konstrukciju i/ili proizvodne postupke. Novi proizvod predstavlja kreativni izazov da se širokog skupa materijala odaberu do tada neprimjenjivani materijali, a ujedno izvede neko djelotvornije rješenje. Materijal može upravo biti poticaj za razvoj funkcionalno novog principa rješenja ili traženja proizvoda bitno drugačijih svojstava. S druge strane, koncipiranjem novog konstrukcijskog rješenja mogu se generirati i visoki zahtjevi, koje postojeći materijali ne ispunjavaju. U tom je slučaju moguće je primijeniti suvremeno načelo "projektiranje materijala traženih svojstava". Postupak razvoja novog proizvoda može se podijeliti u nekoliko karakterističnih slijednih faza, iako je cijeli proces rada nužno iterativan (slika 7): predstudija - koncipiranje, projektiranje i izbor varijanti rješenja, konstrukcijska i tehnološka razrada izabranih varijanti.

Slika 7: Faze i pomagala pri razvoju proizvoda [7] Materijali se biraju u svakoj od navedenih faza, ali unutar različite veličine skupa materijala i s različitim stupnjem preciznosti rezultata. Predstudija ili koncipiranje je karakteristična ponajprije za razvoj novog proizvoda. U fazi koncepta obično se traži zadovoljavanje nekoliko istaknutih svojstava – tzv. invarijantnih zahtjeva zasnovanih na ispunjenju tražene funkcije (npr. vodič ili izolator, magnetičan ili nemagnetičan, mala masa i sl.), a u obzir u pravilu dolazi veći broj skupina i vrsta materijala prikladnih za daljnje razmatranje. Pri projektiranju i razradi varijanti konstrukcijskog rješenja potrebne su što obuhvatnije informacije o svojstvima materijala koje nalazimo u katalozima i bazama podataka. Svakoj se varijanti rješenja pridružuju određeni materijali, a varijante podliježu vrednovanju prema prije definiranim kriterijima. Za konstrukcijsku i tehnološku razradu bi trebalo ostati samo nekoliko materijala, najčešće jedan osnovni te jedna ili dvije zamjene. Za te materijale se definiraju proizvodni parametri i uvjeti nabave kao i predvidivi troškovi. Za konačne konstrukcijske proračune, razradu tehnološkog procesa i kalkulacije troškova nužno je poznavati što točnije vrijednosti svojstava materijala, jer se one, za jednu te istu vrstu materijala, razlikuju od proizvođača do proizvođača. Za kritične dijelove i sklopove ponekad je potrebno dodatno ispitati neka od važnih svojstava, ili laboratorijskim ispitivanjima oponašati uvjete rada na prototipu.

8

3.1.1 Metode izbora materijala Subjektivnost, iskustvo iz prethodnih rješenja, ograničen i nepotpun broj kriterija usporedbe osnovna su obilježja načina odabira materijala u praksi. Stoga se teži primjeni metodologije koja uključuje cjelovitu analizu zahtjeva, svojstava materijala i primjenu što objektivnijih metoda odlučivanja (slika 8). Mogući pristupi (načini) izboru materijala su sljedeći:

izbor na temelju analize tehničkih svojstava i drugih kvantitativnih karakteristika, izbor sintezom na temelju iskustva i analogija, izbor na temelju inspiracije i inventivnosti.

U težnji ka što objektivnijem i računalno podržanom odlučivanju uz ekspertna znanja sve se više primjenjuju kvantitativne metode izbora materijala. Pretpostavka kvantitativne usporedbe je raspolaganje s brojčano iskazanim vrijednostima svojstava materijala u obliku mjerenih ili procijenjene vrijednosti (ocjene). Primjena kvantitativnih metoda odlučivanja dolazi u obzir ponajprije kod velikog broja traženih svojstava, jer je za očekivati relativno velik broj prihvatljivih materijala.

Slika 8: Pojednostavljena shema tijeka izbora materijala pri razvoju novog proizvoda [6] Sve raširenije se koriste računalni sustavi koji pohranjuju i procesiraju informacije o materijalima. Razlozi tome jesu: sve veća primjena CA-sustava, porast broja materijala i njihovih karakteristika, težnja k bržem i pouzdanijem traženju informacija, težnja s objektivnijim i cjelovitijim usporedbama, sve prisutnija potreba za modeliranjem i simulacijama. Pri traženju vrijednosti o svojstvima korisne su bibliografske, faktografske i numeričke baze podataka o materijalima, a pri odlučivanju pomažu CAMS (Computer Aided Materials Selection) i ekspertni sustavi (ES) [3]. Slika 9 prikazuje koncepcijsku strukturu CAMS sustava koji je u stanju komunicirati s konstrukcijskim timom i njegovim specifičnim programskim modulima. U osnovi, svaki takav sustav sadrži tri integrirana dijela: bazu podataka, bazu znanja te module za odlučivanje, modeliranje i analize. Značajan izvor informacija o inovativnim materijalima i pripadajućim procesima nalazi se u patentnim bazama podataka. Smatra se da ovaj resurs znanja nije dovoljno iskorišten pri razvoju novih proizvoda.

9

Slika 9: Osnovni moduli CAMS ekspertnog sustava [7] 4. PRIMJERI PROIZVODA RAZVIJENIH PRIMJENOM SUVREMENIH MATERIJALA U daljnjem prikazu naznačuju se bitne prednosti nekih odabranih skupina suvremenih materijala i primjerima ilustriraju mogućnosti unapređenja svojstava proizvoda njihovom primjenom. 4.1 Polimerni materijali Ova skupina materijala bilježi relativno najveći porast proizvodnje i potrošnje. Zbog težnje k što lakšim dijelovima složenijih oblika, otpornim na različite medije oni uspješno zamjenjuju metalne materijale u masovnoj izradi brojnih kućanskih uređaja, ambalaže i općenito sredstvima opće potrošnje. Istraživanja su usmjerena na sljedeća područja [8]:

- polimeri primjenjivi pri višim temperaturama, - polimerne mješavine novih kombinacija svojstava, - biorazgradljivi polimeri, - elektrovodljivi polimeri, - funkcionalni i pametni polimeri.

Od mnogobrojnih primjera za ilustraciju smišljenog i cjelovitog razvoja polimernog proizvoda odabrano je plivačko odijelo LZR RACER tvrtke Speedo (slika 10). Smatra se da je ovo odijelo većim dijelom zaslužno za obaranje više desetaka svjetskih rekorda u plivanju tijekom 2007. godine. Odijelo je oblikovano pomoću analize otpora tijela u vodi koristeći računalni paket ANSYS. Za tu svrhu posebno su razvijena nova polimerna vlakna vrlo niskog faktora trenja. Speedo LZR RACER izrađen od Speedovog LZR Pulse materijala – 70% poliamidno vlakno, 30% elastansko vlakno, koji je najlakši tkani plivački materijal na svijetu. Izuzetno je čvrst, voda klizi preko jako glatke površine, otporan je na klor i brzo se suši. Spojevi su po cijeloj dužini zavareni ultrazvučnom tehnikom, kako bi se dobilo niskoprofilno odijelo sa smanjenim površinskim trenjem.

10

4.2 Kompozitni materijali Kompozitima se ostvaruju nove i neočekivane kombinacije svojstava, kao na primjer: lake i čvrste i/ili krute konstrukcije, laki i otporni dijelovi na trošenje, mehanički otporni dijelovi pri vrlo visokim temperaturama itd. S obzirom na materijal matrice kompoziti mogu biti polimerni, metalni ili keramički. Druge faze ili strukturni elementi jesu: sitne ili krupne čestice, te duga ili kratka vlakna. Kompoziti se također dijele na slojevite (laminati) i sendvič konstrukcije (slojeviti kompoziti i sendvič konstrukcije nazivaju se i "strukturnim kompozitima"). Svojstva kompozita osim vrste matrice bitno određuju: vrsta druge faze, njezin volumni udio, prostorno usmjerenje i raspored. Kombinirajući navedene elemente moguće je projektirati kompozitni materijal i proizvod željene strukture i svojstava. Slike 11 i 12 pokazuju mehanička svojstva vlaknastih ojačala i specifičnu čvrstoću te specifičnu krutost različitih matrica kompozita uz različite materijala vlakana za ojačavanje.

Slika 11: Mehanička svojstva vlaknastih ojačanja [9]

Slika 10: Novo plivačko odijelo LZR RACER (uz dopuštenje tvrtke COSULE, Zagreb)

11

Slika 12: Specifična čvrstoća (čvrstoća/gustoća) i specifična krutost (modul elastičnosti/gustoća) kompozitnih materijala u usporedbi s metalnim materijalima [9]

4.2.1 Polimerni kompoziti (PMC) Najrašireniji u primjeni su duromeri (poliesterske, epoksidne i vinilesterske smole) ojačani vlaknima (staklenim, ugljičnim, aramidnim, polietilenskim i drugim) koji su lagani a istovremeno čvrsti, relativno kruti te otporni na opću koroziju i na djelovanje brojnih agresivnih medija. Primjena polimernih kompozita je mnogostruka a najčešće služe za izradu: spremnika različitih medija (slika 13), cjevovoda (slika 14), dijelova vozila i strojeva, zrakoplova, helikoptera, automobila (oklop bolida "Formule 1" i motocikala), opruga, ovjesa, vretena alatnih strojeva, sportske opreme (slika 15) - jarboli i jedrilice, daske za jedrenje, skije, okviri bicikla, palice za golf, streljački luk i samostrijel, ribički štap, zatim u medicini - vanjski fiksatori, proteze, pomagala za hodanje, a također i za vojnu opremu kao što su kacige zaštitni prsluci, dijelovi oružja i sl. Slika 16 pokazuje da se može ostvariti znatno manja težina uz jednaku čvrstoću i krutost prstena vanjskog Ilizarov fiksatora izradom od kompozita s epoksidnom matricom i ugljičnim vlaknima.

Slika 13: Nova konstrukcija boce za plin tvrtke Ragasco [10] od polimera (vanjski plašt) i vinilesterske smole ojačane staklenim vlaknima (spremnik plina). Nova boca je 50 % lakša od čelične, korozijski otporna, providna za razinu plina i sigurnija u slučaju eksplozije.

12

Slika 14. Cjevovodi od polimernih kompozita

Slika 15: Primjeri sportskih rekvizita napravljenih od polimernih kompozita

a b Slika 16: Ilizarov vanjski fiksator koji je znatno lakši jer su prsteni izrađeni od epoksidne smole ojačane

ugljičnim vlaknima a ne kao prije od nehrđajućeg čelika (a). Kutno podesivi vanjski fiksator od epoksidne smole ojačane ugljičnim vlaknima (b) [11]

13

Polimer/drvo kompoziti za konstrukcijske dijelove Kao polimerne matrice koriste se plastomeri – najčešće PP i PE, ali i drugi, a dodaju se drvena prašina, sitne čestice i kratka vlakna – često kao otpaci u drvnoj industriji. Najčešći postupci oblikovanja su ekstrudiranje i injekcijsko prešanje i to na postojećoj opremi za preradu plastike. Izrađuju se različiti profili, ali i dijelovi složenih oblika – npr. kućišta (slika 17).

a b Slika 17: Kućište zvučnika (a) i ručne svjetiljke izrađeni od polimer/drvo kompozita (b) Polimerni beton za postolja strojeva i uređaja Ovaj se kompozit sastoji najčešće od veziva (epoksidna smola) i umrežavala (oko 20% volumena), a dodaci i punila čine oko 80 % a to su mineralne čestice šljunka različite granulacije. Neke bitne prednosti u odnosu prema sivom lijevu:

- manja masa, - 6 do10 puta brže prigušenje vibracija, - mala toplinska vodljivost i neosjetljivost na razlike temperatura, - korozijska postojanost, - sloboda konstrukcijskog oblikovanja, - hladan postupak oblikovanja.

a b

Slika 18: Postolje alatnog stroja odljeveno od polimernog betona (a) i postolje preciznog mjernog uređaja (b)

4.2.2 Metalni kompoziti (MMC) Matrice najčešće od Al-, Ti- i Mg-legura, a za primjene pri višim radnim temperaturama i Cu-legura te Ni-superlegura. U metalnoj osnovi nalazi se sitno dispergirana nemetalna faza u obliku čestica, viskera ili vlakana. Za više radne temperature ojačala su od: SiC, Al2O3, B ili W, C, Ta, Mo. Valja istaknuti i razvoj Fe-

14

Ni-Co ODS (Oxide Dispersion Strengthened) superlegura niske toplinske rastezljivosti, te Ni i Ni-Cr legura s dispergiranim česticama ThO2. Dobra svojstva MMC koja se mogu ostvariti različitim kombinacijama matrica/ojačalo jesu: vrlo visoka čvrstoća i krutost uz vrlo malu gustoću, visoka toplinska i električna vodljivost i niska toplinska rastezljivost, vrlo dobra otpornost na trošenje, vrlo dobra svojstva na visokim temperaturama.

Loše strane MMC jesu: komplicirana proizvodnja, vrlo visoka cijena - cijena će padati sa širenjem primjene, nedovoljno podataka o svojstvima materijala, još uvijek nema dovoljno smjernica za konstruiranje s ovom skupinom materijala, loša recikličnost.

Najviše primjena MMC nalazimo kod dijelova plinskih turbina i motora s unutrašnjim izgaranjem (slika 19).

a b

Slika 19: Cilindar bolida Formule 1 od aluminija ojačanog SiC česticama (a) i klipnjača od Al-legure ojačane s Al2O3 česticama (b) koja ima mnogo bolja mehanička svojstva i otpornost na umor od čelične

klipnjače, a uz sve to ima i 42 % manju masu 4.2.3 Keramički kompoziti (CMC) Keramički materijali u usporedbi s metalima imaju nekoliko prednosti od kojih su najznačajnije iznimna otpornost na visoke temperature, te vrlo visoka otpornost na koroziju. Glavni nedostatak, koji još uvijek sprječava širu uporabu konstrukcijske keramike je sklonost krhkom lomu, koja se može smanjiti ojačanjem keramičke matrice s keramičkim vlaknima. Žilavost keramičkom kompozitu povisuju vlakna na taj način što se energija za širenje pukotine troši za lomljenje, odvajanje i izvlačenje vlakana iz matrice. Razvoj ovih vrsta kompozita je u vrlo ranoj fazi i postoji još niz tehnoloških problema, pa se njihova šira primjena očekuje tek za 10-tak godina.

Slika 20: Kočiona ploča od keramičkog kompozita – SiC +ugljična kratka vlakna

4.3 Metalne pjene Ćelijasti materijali razvijaju se oponašanjem struktura prirodnih materijala (drvo, kosti, oklopi životinja i sl.) a s ciljem postizavanja novih kombinacija svojstava uz što manju masu proizvoda.

15

Danas se uspješno proizvode polimerne, metalne, keramičke i ugljične pjene s različitim pravilnim i nepravilnim oblicima ćelija. Metalne pjene mogu biti s otvorenim i zatvorenim ćelijama, s visokom poroznošću (40-90 vol.%). Pjene s zatvorenim ćelijama imaju nisku specifičnu masu, visoku krutost u sendvič konstrukcijama, visoku sposobnost apsorpcije energije udara, dobro prigušenje mehaničkih vibracija i zvuka, negorivost, toplinska izolacijska svojstva i dr. Metalne pjene s zatvorenim ćelijama naročito su prikladne za izradu dijelova sendvič konstrukcija vozila (slika 21), letjelica i građevinskih elemenata, a s otvorenim ćelijama za filtre, izmjenjivače topline i sl. Razvoj i primjena je započela s aluminijem i njegovim legurama (naročito Al-Si legure), a širi se na cink, olovo, broncu, čelik, nikal (baterije), titan, zlato i srebro (nakit).

a b

Slika 21: Profili ispunjeni Al-pjenom; dio automobila izložen udaru (a) i spona prednjeg ovjesa (b) [13]

4.4 Aerogelovi Aerogelovi su visokoporozni materijali nanometarskih dimenzija zračnih šupljina (oko 99 % volumena), s ekstremno malom gustoćom (30 do 300 kg/m3). Pored najraširenijih aerogelova na bazi silicij-dioksida, danas se rabe drugi osnovni materijali kao što su aluminij-oksid, titan-oksid ili miješani oksidi. Prije nekoliko godina je uspjela proizvodnja organskih aerogelova koji su u usporedbi s keramičkim manje porozni i bolje zadržavaju toplinu. Visok udio nanopora je odgovoran za nizak indeks loma, malen modul elastičnosti, nisku akustičnu impedanciju i malu vodljivost topline. U pojedinim slučajevima može se iskoristiti i visoka optička transparentnost. Aerogelovi imaju u budućnosti posebne izglede kao izolatori provođenja topline. Pošto silicij-oksidni aerogelovi teško gore i smiju se reciklirati, pogodni su kao nadomjestak za izolacijske pjene koje sadržavaju freone, npr. za izolaciju hladnjaka. Prikladni su za pasivno korištenje sunčane energije na zidovima kuća ili kao krovni prozori jer propuštaju svjetlo (slika 22). Brzina zvuka u aerogelovima znatno niža nego u zraku i može se mijenjati variranjem proizvodnih parametara. Taj efekt se može iskoristiti kod podešavanja akustične impendancije na graničnim područjima (akustični antirefleksni slojevi). Zbog velike specifične površine i lake ugradnje katalitički aktivnih supstanci, aerogelovi imaju ogroman potencijal kao nosioci katalizatora za kemijske procese. U svemirskom prometu može se koristiti kao lagani medij za spremanje goriva. Atraktivna je i mogućnost ugljičnih aerogelova kod izgradnje super kondenzatora s ekstremnom gustoćom vodljivosti.

a b c Slika 22: Cijevi izolirane aerogelom (a); uložak za obuću od aerogela (b) [15] i prozorski okvir sa staklima

ispunjenim aerogelom (c) [22]

16

Slaba strana aerogelova je relativno visoka osjetljivost na okolne utjecaje i mala mehanička otpornost. Tako se moraju silicij-oksidni aerogelovi čuvati od vlage, jer je njihova mreža (kostur) zbog kemijske strukture takva da upija vodu. 4.5 Funkcionalni nanoslojevi Sol-gel procesom ili dodavanjem nanočestica u otopine (npr. TiO2, srebra i dr.) moguće je proizvesti nanoslojeve sljedećih posebnih svojstava:

- neprionljivi za vodu (hidrofobni) – na principu lotus efekta (slika 23), - antibakterijski (dodatak nanočestica srebra), - antirefleksni, - fotokromni (slika 24) i elektrokromni efekt, - samočistivi (fotokatalitički efekt izazvan dodatkom nanočestica TiO2 u otopine), - otporni na grebanje (organsko-keramički nanohibridni kompozti).

a b

Slika 23: Lotus efekt u prirodi (a) i premaz za fasadu koji ne dopušta upijanje vode (b) [14]

a b

Slika 24: Fotokromni efekt na staklu (a) [14] i netretirana (b-lijevo) i tretirana hidrofobna tekstilna vlakna da ne upijaju vodu (b-desno) [15]

Postupci modificiranja i prevlačenja površina primjenjuju se zbog povišenja otpornosti na trošenje, korozijske i kemijske postojanosti, radi dekorativnih razloga. Moguće je nanositi različite metale, legure, keramičke spojeve (karbide, nitride i okside) i sasvim nove kombinacije materijala, u jednom ili više slojeva na metalne i nemetalne substrate. Osim za prevlačenje alata i konstrukcijskih dijelova, ovi postupci nalaze primjene u elektronici – senzorici, optici, optoelektronici – solarne ćelije, foto i laserske diode, medicinskoj tehnici itd. U primjeni su najzastupljeniji postupci za nanošenje tankih slojeva taloženjem iz parne faze – PVD i kemijskim taloženjem iz parne faze – CVD. Njihov razvoj i primjena su usmjereni na stvaranje višeslojnih prevlaka nanodebljina, čime se ostvaruju nove kombinacije svojstava (slika 25).

17

Osim atmosferskog plazma naštrcavanja sve se više uvodi vakuumsko plazma naštrcavanje, ponajprije za oplemenjivanje materijala osjetljivih na kisik (npr. Ti). Reaktivno naštrcavanje u vakuumu koristi se za sintezu materijala, ali i za modificiranje površina (npr. ojačavanje NiCr slojeva s TiC). Od nedavno ovim se postupkom dobivaju DLC (Diamond Like Carbon) slojevi pomoću Ar/H2 plazme, (DC plazma) koja se uvodi u struju metana. Laser se koristi za: površinsko kaljenje, otvrdnjavanje usitnjenjem strukture, otvrdnjavanje rastaljivanjem, površinsko legiranje i stapanje toplinski nanesenih prevlaka ili traka.

Slika 25: Moguće kombinacije višeslojnih nanoprevlaka [16]

4.6 Pametni materijali Pod pojmom “pametni” misli se na materijale koji mijenjaju svoju mikrostrukturu i svojstva pod djelovanjem okolnih uvjeta (temperature, mehaničkog naprezanja, kemijskog djelovanja, električnog ili magnetnog polja, svjetlosti i dr.). Pametni materijali za senzore su sposobni transformirati neku veličinu u drugo, lakše mjerljivo svojstvo. Kod aktuatora mogu izvesti pomake i/ili izazvati (podnijeti) opterećenje, a mogu biti aktivirani promjenama magnetnog i električnog polja ili temperature. Feroelektični (FE) i feromagnetni (FM) materijali zajedno s legurama s efektom prisjetljivosti oblika (Shape Memory Alloys - SMA) imaju fazne transformacije pri nižim temperaturama, povezane s promjenom volumena i oblika, kao i formiranjem domene strukture. Razvoj SMA legura započeo je s legurama tipa Ni-Ti (“Nitinol”) a kasnije su otkrivene ternarne legure na bazi bakra: Cu-Al-Ni, Cu-Zn-Al i Cu-Al-Be (+ 0,5% Si i male dodatke Cr, V, Mn ili Ti), kao i legure na bazi željeza. Za aktuatore se najčešće primjenjuju SMA s dvosmjernim efektom, jer promjena oblika nastupa i pri ugrijavanju i pri hlađenju. Neki provjereni primjeri primjena SMA legure jesu: električne spojnice i prekidači, termostati, opruge, spojnice cijevi za visoke tlakove, mobilne telefonske antene, ortodonske naprave, podupirači (stentovi) unutar krvnih žila i prostate, vodeće žice katetera, fiksatori kralješnice. Piezoelektrični materijali su prikladni za aktuatore, ali i za senzore u uvjetima mehaničkog opterećenja i deformacija (slika 26). Slika 26: Hibridni sustav s ugrađenim piezoelektričnim aktuatorom za prigušenje vibracija kod Intercity

Express (ICE) vlakova [23]

18

Sve se više istražuju i polimeri gdje se efekt pamćenja oblika ostvaruje preko formiranja dvostruke mreže molekularnih lanaca, a kod piezoelektričnog efekta stvaranjem električnih dipola nakon mehaničkog istezanja (npr. kod PVDF polimera). Vrlo su aktualni projekti izvedbe inteligentnih struktura sa zadaćom obavljanja posebnih funkcija pod utjecajem vanjskih podražaja - npr. pametni senzori i aktuatori ugrađeni u mostove ili krila zrakoplova, u lopatice rotora helikoptera, gdje mogu reagirati na prekomjerne deformacije ili pojavu pukotina, ili kao dijelovi različitih biomedicinskih pomagala (npr. umjetna šaka). 4.7 Biomimetički materijali Istraživanje sintetičkih materijala na osnovi materijalne bionike spada u interdisciplinarno područje između biologije, kemije, tehnike i medicine. Priroda nudi molekularne arhitekture za mnoge nove izazove i koncepte razvoja materijala. Iz prirode se može učiti kako iz jednostavnih i raspoloživih spojeva biološkim procesima nastaju složene organsko/anorganske strukture visoke čvrstoće, krutosti, tvrdoće i žilavosti, kao npr. oklopi, rogovi, zubi, bodlje životinja, paukova mreža itd. [19]. Radi se o nanostrukturiranim biološkim strukturama bez pogrešaka. Priroda često favorizira multifunkcionalna ili čak inteligentna rješenja. Na osnovi proučavanja i oponašanja sastava i strukture takvih sustava razvijaju se procesi umjetne sinteze oksida, sulfida i drugih spojeva u vodenim ili polimernim otopinama s ciljem dobivanja umjetnih kosti i tkiva, razgradljivih vlakana za šivanje rana, nanokompozita, membrana za dijalizu, funkcionalnih materijala (npr. nelinearna optička svojstva nanostrukturiranog Cd-oksida). Tako je npr., između ostalog, na temelju proučavanja svojstava laminatne nanostrukture oklopa školjke abalone, razvijen umjetni laminat s izvanrednim protubalističkim svojstvima (slika 27).

Slika 27: Lamelarna struktura sedefa školjke abalone (“petrovo uho”) – aragonitne pločice povezane s organskom tvari (lijevo) [20] i umjetno proizveden laminat prešanjem slojeva titana i intermetalnih spojeva (desno) [21]

Iako se uspijeva teorijski rastumačiti kompleksne fenomene fizikalnih, kemijskih osnovnih procesa, ipak treba obaviti još mnogo istraživačkog posla kako bi se mogli kopirati ta načela u biomimetičkim materijalima. 5. ZAKLJUČAK - Konkurentnost suvremenih proizvoda bitno je određena primijenjenim materijalima, što pokazuju brojni

novi proizvodi razvijeni zahvaljujući primjeni novih materijala. - Konstrukcijsko oblikovanje, izbor materijala i izbor procesa proizvodnje nedjeljiv je skup povezanih

aktivnosti pri razvoju proizvoda. Variranjem bilo kojeg od tih elemenata može se dobiti novo konstrukcijsko rješenje.

- Konstruktori imaju nedovoljna znanja o suvremenim materijalima i pripadajućim proizvodnim postupcima pa je nužan timski rad i suradnja s ekspertima.

- Zbog iznimno velike količine novogeneriranih informacija i znanja u području znanosti i inženjerstva materijala, inženjerskoj praksi je potrebno ponuditi informacijsku podršku i podloge za učinkovit prijenos znanja o razvoju i primjeni suvremenih materijala.

- Optimalni materijali odabiru se kombiniranjem kvantitativnih metoda odlučivanja i ekspertnih znanja. Stupanj pouzdanosti odluka ovisi o prekrivenosti zahtjeva kvantitativnim vrijednostima ili objektivnim procjenama.

19

Zahvala Rad je dio istraživanja na projektu Modeliranje svojstava materijala i parametara procesa (br. 120-1201780-1779) financiranog od Ministarstva znanosti, obrazovanja i športa RH. Autor zahvaljuje Ministarstvu na financijskoj potpori. LITERATURA [1] T. Filetin: Neki trendovi razvoja i primjene materijala (s. 3-23), poglavlje u knjizi Materijali i

tehnologijski razvoj (ur. T. Filetin), Akademija tehničkih znanosti Hrvatske, Zagreb, 2002. [2] M F. Ashby: Materials Selection in Mechanical Design, Pergamon Press, Oxford, 2001. [3] M.F. Ashby, K. Johnson: Materials and Design, Butterworth- Heinemann, 2003. [4] Ž. Goja, T. Filetin, T. Udiljak: Applications of lightweight materials in the motor spindles for machining

with robot structures, Proceedings of the 11th Inter. Scientific Conf. on Production Engineering - CIM07, June 13-17, 2007, Biograd, p. 141-144.

[5] ...Advanced Materials & Processes, 1/Jan. 1990. [6] T. Filetin: Izbor materijala pri razvoju proizvoda, Fakultet strojarstva i brodogradnje Sveučilišta u

Zagrebu, 2006. [7] ASM Handbook Vol. 20, Materials Selection and Design, ASM Int., Ohio, 1997. [8] Z. Janović: Trends in Polymeric Materials, Annual 2000 of the Croatian Academy of Engineering,

Zagreb, 2000. [9] W. D. Calister, Jr., Materials Science and Engineering – an Introduction, John Wiley&Sons, New York,

2000. [10] http://www.ragasco.com [11] C. Migliaresi, F. Nicoli, S. Rossi, A. Pegoretti: Novel uses of carbon composites for the fabrication of

external fixators, Composite Science and Technology, Vol. 64(2004)873-883. [12] T. Kretschmer, J. Kohlhoff: Werkstoffe – Trends, Sonderdruck aus der Fachzeitschrift Werkstoffe in der

Fertigung, Holzverlag, Mering, 2001-2007. [13] H.P. Degischer, B. Kriszt (eds): handbook of cellular metals, Wiley-VCH, Verlag, Weinheim, 2002. [14] …Nanotechnologie - Innovationen für die Welt von morgen, Bundesministerium für Bildung und

Forschung (BMBF), Referat Publikationen; Internetredaktion, Berlin, 2004. [15] Nanotechnology for the textiles and clothing sectors, Prepared by TechniTexFaraday on behalf of the

UK MNT Network, PDF www.google [16] European White Book on Fundamental Research in Materials Science, Max – Planck Institut für

Metallforschung Stuttgart, 2001. http://www.mpg.de/english/illustrationsDocumentation/documentation/europWhiteBook/index.html

[17] M. Franz: Slitine s efektom prisjetljivosti oblika, Bilten Razreda za tehničke znanosti Hrvatske akademije znanosti i umjetnosti, Zagreb, 1995, s. 1-14.

[18] Suvremeni materijali i postupci (ur. T. Filetin), Hrvatsko društvo za materijale i tribologiju, Zagreb, 2005.

[19] Sarikaya M., Fong H., Sopp J.M., Katti K.S., Mayer G.: Biomimetics: Nanomechanical Design of Materials through Biology, 15th ASCE Engineering Mechanics Conference, Columbia University, New York, 2002.

[20] Meyers M.A., Lin A.Y.M., Seki Y., Chen P., Kad B.K., Bodde S.: Structural Biological Composites: An Overview, JOM, 2006.

[21] Vecchio K.S.: Synthetic Multifunctional Metallic-Intermetallic Laminate Composites, JOM, 2005(3), 57.

[22] S. Leydecker, Nanomaterials in Architecture, Interior Architecture ad Design, Birkhäuser, Verlag AG, Berlin 2008.

[23] H. Hanselka: An Overview to the BMBF-Leitprojekt ADAPTRONIK, Functional Materials, Series: EUROMAT 99, Editors: K. Grassie, E. Teuckhoff, G. Wegner, J. Hausselt, H. Hanselka Wiley-VCH Verlag GmbH, Published Online: 27. April 2006.