Projekti / Programi
Razvoj večnamenskih avksetičnih celičnih struktur
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.11.02 |
Tehnika |
Konstruiranje |
Specialna konstrukcijska znanja |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T000 |
Tehnološke vede |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.03 |
Tehniške in tehnološke vede |
Mehanika |
avksetični celični materiali, mehanska karakterizacija, eksperimentalno testiranje, računalniške simulacije, optimirana struktura, gradirana poroznost
Raziskovalci (14)
Organizacije (2)
Povzetek
Avksetične celične strukture so posebna vrsta celičnih metamaterialov, ki imajo izjemne mehanske lastnosti, ki jih ni mogoče doseči z nobenim drugim običajnim materialom. Njihov nedavni razvoj je povezan z napredkom slojevitih dodajnih tehnologij, ki omogočajo izdelavo novih avksetičnih struktur s kompleksno geometrijo. Geometrija avksetičnih metamaterialov (morfologija in topologija) in njihovo mehansko obnašanje še ni dovolj dobro opisano in mnoge vplivne parametre je potrebno šele ustrezno opredeliti, še posebej v primeru dinamičnih obremenitvenih pogojev. Namen predlaganega raziskovalnega projekta je razvoj novih, topološko optimiranih tridimenzionalnih avksetičnih struktur z enakomerno in gradirano poroznostjo s spremljajočim celovitim programom eksperimentalne in simulacijske karakterizacije njihovega mehanskega obnašanja pod različnimi pogoji obremenjevanja, vključno z obravnavo velikih deformacij, vplivov hitrosti deformiranja in utrujanja. Obsežen eksperimentalni program testiranja z uporabo vzorcev, izdelanih z dodajnimi tehnologijami, bo podprt tudi z infrardečo termografijo, ki omogoča odlično vizualizacijo lokalnih procesov deformiranja, in naprednim modeliranjem po metodi končnih elementov ter računalniškimi simulacijami. To bo zagotovilo natančen vpogled v kompleksne procese deformiranja tridimenzionalnih avksetičnih struktur do njihove popolne zgostitve pri različnih pogojih obremenjevanja. V kombinaciji s parametričnih računalniškimi simulacijami, homogenizacijo in postopki topološke optimizacije, bodo rezultati te raziskave zagotovili ustrezen okvir za ugotavljanje najustreznejših geometrijskih in materialnih parametrov avksetični struktur in posledično prispevali k razvoju najsodobnejšega znanja, potrebnega za učinkovito uporabo avksetičnih materialov v bodočih inženirskih aplikacijah.
Pomen za razvoj znanosti
Raziskovalna skupina ima več kot 15 let izkušenj na področju analize in razvoja celičnih materialov, določanju njihovih geometrijskih značilnosti, računalniškimi simulacijami in eksperimentalnim testiranjem. Je edina skupina v Sloveniji, ki se sistematično ukvarja z razvojem in uporabo celičnih materialov v inženirskih aplikacijah. Ob tem je skupina vzpostavila odlično mednarodno sodelovanje z več partnerji v tujini. Dosedanji rezultati raziskav so bili objavljeni v številnih izvirnih znanstvenih člankih v visoko rangiranih znanstvenih revijah (kategorij A'' in A') in njihovo znanje predstavljeno na številnih znanstvenih in strokovnih konferencah po vsem svetu.
Predlagani projekt bo v veliki meri prispeval k napredku inženirskih znanosti na področju razvoja in karakterizacije novih avksetičnih celičnih struktur in njihovega numeričnega modeliranja. To bo znatno povečalo možnosti uporabe avksetičnih celičnih struktur v splošni strojegradnji, kar doslej ni bilo mogoče zaradi pomanjkanja razumevanja in ustreznih proizvodnih tehnik. Najnovejši napredek na področju dodajalnih tehnologij omogoča izdelavo te nove skupine materialov z izjemnimi lastnostmi in posledično podrobne karakterizacije njihovih mehanskih lastnosti, ki prej niso bile mogoče.
Rezultati predlaganega projekta bodo bistveno prispevali k razvoju na področju inovativnih gradiranih avksetičnih celičnih struktur, ki bodo popolnoma karakterizirane z ustreznim eksperimentalnim programom preizkušanja dejanskih vzorcev avksetičnih struktur, kar bo podprto tudi s parametričnimi računalniškimi simulacijami. Razviti modeli bodo zagotovili možnost natančnega napovedovanja obnašanja enakomernih (uniformnih) in gradiranih avksetičnih celičnih struktur pri eno- in več-osnem obremenjevanju.
Poleg tega bodo ti učinkoviti razviti računalniški modeli in homogenizirani konstitutivni zakoni prispevali k skrajšanju priprave simulacijskih modelov in večji zanesljivosti rezultatov ob manjši porabi računski kapacitet (krajši simulacijski čas), zaradi česar bodo zelo privlačni za uporabo v splošni strojegradnji in bodo zagotavljali širok spekter možne uporabe za kakršne koli potrebe industrije.
Predvideno je, da bodo rezultati predlaganih raziskav objavljeni v visoko rangiranih mednarodnih znanstvenih revijah na področju materialov, mehanike in strojništva ter predstavljeni znanstveni skupnosti na številnih mednarodnih znanstvenih konferencah.
Pomen za razvoj Slovenije
Celični materiali so bili uspešno vključeni v številne industrijske aplikacije za doseganje novih, lahkih in konkurenčnih izdelkov.
Rezultati predlaganega projekta so neposredno uporabni v sodobni industriji, saj bodo predlagane eksperimentalne raziskave in spremljajoče računalniško modeliranje in računalniške simulacije omogočili optimizacijo in razvoj novih avksetičnih struktur z najprimernejšimi konstrukcijskimi parametri za določeno aplikacijo. Obsežne parametrične analize bodo prispevale tudi k razvoju novih konstrukcijskih smernic za praktično uporabo lahkih avksetičnih celičnih struktur, zaradi česar bodo bolj privlačne za inženirje. Obenem bodo dodatno podprte s prilagodljivo izdelavo kompleksnih avksetičnih struktur z uporabo slojevitih dodajalnih tehnologij. Edinstveno deformiranje avksetičnih struktur, nizka gostota, izboljšana obrabna obstojnost in absorpcija energije, večja odpornost proti penetraciji in strižno odpornost, lomna žilavost in bio-kompatibilnost osnovnih materialov je zelo primerno za uporabo v avtomobilski, letalski, vojaški, tekstilni in biomedicinski industriji kot bombno odporne zavese, kompozitni materiali, čelade, telesni oklepi, varnostni pasovi, sedežne blazine, filtri z enostavnim čiščenjem, povoji s sproščanjem učinkovin, kolenske in komolčne obloge, embalaža, vsadki ipd. Takšne široke možnosti uporabe predstavljajo velik potencial za mala in velika slovenska podjetja (podana je že bila prošnja slovenskega podjetja za razvoj sendvič plošče z avksetičnim jedrom) za njihovo trženje, saj še vedno obstoji pomanjkanje materialov/izdelkov s številnimi prednostnimi avksetičnimi lastnostmi v primerjavi z običajnimi materiali. Nadalje je potrebno poudariti tudi manjši vpliv na okolje med izdelavo in možnost recikliranja po uporabi, zaradi nizke mase materiala, ki je potreben za proizvodnjo lahkih avksetičnih struktur z izboljšanimi mehanskimi lastnostmi.
Predvideno je tudi patentiranje novih razvitih 3D avksetičnih struktur.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
