ENVIROMENTÁLNE TECHNOLÓGIE – nové stroje a zariadenia. RECYKLÁCIA – triedenie a úprava odpadov. OBNOVITEĽNÉ ZDROJE ENERGIE – energetická a materiálová efektívnosť.

Výskum oteruvzdornosti a životnosti funkčných častí strojov pre spracovanie drevnej biomasy


Dôležitou aktivitou každého ústavu na Strojníckej fakulte je vedeckovýskumná a projekčná činnosť. Nie je to inak ani na Ústave výrobných systémov, environmentálnej techniky a manažmentu kvality (ÚSETM). ÚSETM úspešne rieši viacero menších, ale aj veľké výskumné projekty, čoho výsledkom je priame prepojenie výskumu a praxe s pedagogickým procesom, zabezpečenie kontinuálneho odborného rastu pracovného kolektívu a mnohokrát aj modernizácia infraštruktúry pracoviska.

Jedným zo zaujímavých projektov, ktoré aktuálne rieši kolektív ÚSETM, je projekt č. APVV-16-0485 „Nástroje na zhutňovanie biomasy odlievané z progresívnych oteruvzdorných liatin“ finančne podporený Agentúrou pre podporu vedy a výskumu. 

Projekt rieši oteruvzdornosť a životnosť nástrojov, ktoré sa používajú na mechanickú úpravu biomasy. V rámci procesu mechanickej úpravy biomasy je nutné vstupný materiál dezintegrovať na drviacich strojoch a zhutniť na zhutňovacích strojoch (briketovacie lisy, peletovacie lisy). Počas tohto procesu sú nástroje dezintegračných strojov (kladivá, kotúče) a nástroje zhutňovacích strojov (lisovací piest, lisovacia závitovka) podrobené enormnému opotrebeniu vplyvom kombinácie rôznych druhov opotrebení (adhézne, abrazívne atď.) a tepelnému poškodeniu.


   

         Kladivá dezintegračného stroja                            Lisovacia závitovka briketovacieho lisu

 

   

      Hrot lisovacej závitovky                            Nové, nepoškodené lisovacie závitovky


Hlavným cieľom výskumného projektu je zvýšiť životnosť vybraných typov nástrojov na spracovanie biomasy, ich výrobou technológiami odlievania a obrábania z progresívnych materiálov, akými sú oteruvzdorné liatiny s vysokým obsahom chrómu alebo liatiny s guľôčkovým grafitom typu ADI (Austempered Ductile Iron), ktoré sa vyznačujú priaznivejšou kombináciou pevnosti, oteruvzdornosti, húževnatosti a odolnosti proti lomu v porovnaní s doteraz používanými materiálmi. Z dôvodu zložitosti riešeného problému a interdisciplinárnemu charakteru úlohy bolo riešenie projektu rozdelené na viacero fáz:

  • 1.) Výskum vplyvu parametrov vybraného procesu spracovania biomasy na opotrebovanie nástrojov.
  • 2.) Optimalizácia konštrukčného riešenia nástrojov.
  • 3.) Technologický výskum nástrojov vyrobených z viacerých materiálov technológiou odlievania a obrábania.
  • 4.) Výskum zvyšovania životnosti nástrojov aplikáciou progresívnych liatych materiálov.

  • Počas riešenia projektu využívajú členovia riešiteľského kolektívu hlavne dostupné stroje, laboratórne prístroje a zariadenia na ÚSETM, keďže toto pracovisko disponuje modernou infraštruktúrou. Pre potreby experimentálneho výskumu vplyvu rôznych parametrov procesu zhutňovania použilo experimentálne lisovacie zariadenie a závitovkový briketovací lis vlastnej konštrukcie.

Závitovkový briketovací lis






 

 









                                                                                             

Pohľad na experimentálne drviace stendy a pracovný priestor kladivového mlynu


Pri experimentálnom výskume vplyvu rôznych parametrov procesu dezintegrácie boli použité jedno- a dvojrotorové drviace zariadenia a kladivový mlyn v bežnej prevádzke. Tieto zariadenia umožňujú variabilné nastavenie prevádzkových podmienok uvedených procesov (zhutňovanie, dezintegrácia) a tak je možné získať prehľad o vplyve dôležitých parametrov na proces zhutňovania, resp. dezintegrácie drevnej biomasy.

V rámci konštrukčného riešenia nástrojov sa v tomto projekte zaoberáme tvarovou aj rozmerovou optimalizáciou nástrojov. Cieľom je nájsť taký tvar a rozmer daného nástroja, pri ktorom bude životnosť nástroja najdlhšia. Pre potreby takejto optimalizácie sa bežne používajú známe softvérové aplikácie, kde môžeme jednoducho a účinne využívať nástroje MKP, statické a dynamické analýzy (SolidWorks, Catia, Ansys, Inventor atď.). Samozrejme, výsledky takýchto simulácií a analýz sa musia podrobiť experimentálnemu testovaniu.

 

Využitie CAD aplikácií


Pri technologickom výskume použijeme zariadenia na vákuové odlievanie a postupy Rapid prototyping (3D tlačiareň), ktoré sú k dispozícii v laboratóriách ústavu. Technológia Rapid prototyping bola použitá na výrobu modelu lisovacieho nástroja z dôvodu následnej jednoduchšej výroby formy na odlievanie. Zároveň je možné takýmto modelom overiť tvarové a rozmerové modifikácie.


Vákuové odlievanie a 3D tlač


Vákuové odlievanie umožňuje skrátiť výrobu funkčných modelov – prototypov a tak urýchliť vývoj nového výrobku. Na základe modelu, väčšinou vytlačeného na 3D tlačiarni, sa zhotoví silikónová forma, ktorá sa vo vákuu zaplní živicou. Vákuové odlievanie do silikónových foriem možno použiť na výrobu funkčných plastových a elastických prototypov. Metóda je vhodná aj na výrobu voskových modelov pre technológiu presného odlievania, ktorá bude použitá pri výrobe optimalizovaných nástrojov odlievaním z oteruvzdorných liatin.


3D model lisovacej závitovky


V záverečnej fáze projektu budú odliate nástroje, v rôznych modifikáciách (rôzne typy liatin, rôzne tepelné spracovanie atď.) podrobené laboratórnemu testovaniu odolnosti proti opotrebeniu, stanoveniu tvrdosti, pevnosti, húževnatosti a odolnosti proti lomu, ktoré sa bude realizovať na meracích strojoch a zariadeniach, ktorými sú vybavené laboratóriá ÚSETM a ÚTM.


  

Stanovenie tvrdosti 

 


 

Výsledky laboratórneho testovania sa musia porovnať s výsledkami dosiahnutými v rámci verifikácie na dezintegračných a zhutňovacích strojoch v reálnej prevádzke. Odliate nástroje budú nasadené na reálne stroje a podrobené testovaniu v plnej prevádzke. Následne sa bude miera opotrebenia a zároveň životnosti nástrojov vyhodnocovať prostredníctvom hmotnostného úbytku jednotlivých nástrojov. Tvarové zmeny, resp. deformácie budeme merať pomocou optického mikroskopu a 3D súradnicovým odmeriavacím zariadením. 

Fotogaléria k článku