📅 Data publikacji: 30.05.2025
W laboratorium Narodowego Instytutu Materiałoznawstwa zespół pod kierownictwem prof. dr. hab. Marka Zielińskiego rozpoczął prace nad metalowymi strukturami piankowymi, łącząc badania materiałowe z symulacjami komputerowymi mikrostruktur. Celem projektu było stworzenie materiału o niskiej gęstości, a jednocześnie wysokiej wytrzymałości mechanicznej, zdolnego do pochłaniania energii i redukcji masy elementów konstrukcyjnych. Pierwszym etapem było zaprojektowanie wirtualnych układów porów o regularnych kształtach heksagonalnych i tetragonalnych, które zapewniałyby optymalną dystrybucję naprężeń przy niewielkim zużyciu materiału. Inżynierowie wykorzystali programy MES (Metoda Elementów Skończonych) do analizy zachowania struktur pod obciążeniem, określając granice plastyczności i wytrzymałości na rozciąganie dla różnych stopów. W równoległych badaniach chemicy syntezowali proszki stopów aluminium, tytanu i stali nierdzewnej o precyzyjnie dobranych właściwościach granulometrycznych, aby zapewnić spójność procesu druku laserowego.
Następnie przystąpiono do seryjnych testów parametrów druku w technologii L-PBF (Laser Powder Bed Fusion) na drukarkach ConceptLaser M2 HIP z mocą wiązki 400 W. Zmieniano grubość warstwy od 20 do 50 µm, prędkość skanowania lasera od 600 do 1200 mm/s oraz energię wiązki, aby otrzymać porowatość od 60% do nawet 85% wypełnienia. Każdy wariant proszku drukowano w kształcie sześciennych próbek o wymiarach 10×10×10 mm, poddawano obróbce cieplno-mechanicznej i testowano na urządzeniach do nanoindentacji. Wyniki wskazały, że optymalna konfiguracja – stop aluminium o średnicy ziarna 15 µm, grubość warstwy 30 µm i natężenie lasera 350 W – zapewniała wytrzymałość na ściskanie rzędu 200 MPa przy gęstości objętościowej 20% materiału stałego.
Aby lepiej zrozumieć mechanizmy degradacji struktury w warunkach dynamicznych, próbniki zostały poddane cyklicznym obciążeniom zmiennym w komorze klimatycznej. W zakres prób wchodziły 10 000 cykli przy amplitudzie od 0 do 150 MPa, a także testy udarności zgodnie z normą Charpy. Zaobserwowano, że dzięki otwartym komórkom piankowym materiał wykazywał zdolność do absorpcji energii udaru aż do 25 kJ/m², co czyni go idealnym kandydatem do zastosowań amortyzacyjnych w przemyśle motoryzacyjnym czy lotniczym.
Na zakończenie części pierwszej prof. Zieliński podkreślił: „Udało nam się stworzyć materiał, który łączy lekkość gąbki z wytrzymałością stopu metalu – to dopiero początek rewolucji w konstrukcjach nośnych i ochronnych.”
W drugiej fazie projektu zbudowano pilotową linię produkcyjną w zakładzie partnerskim ArgoMetal w Katowicach. Wprowadzono drukarki L-PBF o zwiększonym obszarze roboczym 300×300 mm oraz systemy kontroli procesów in-situ, monitorujące temperaturę i gęstość energetyczną wiązki laserowej. Dzięki temu możliwe było seryjne wytwarzanie elementów o wymiarach do 200 mm długości przy zachowaniu mikrostruktury piankowej. Zespół skupił się na produkcji modułowych kratownic, płyt ściennych i paneli amortyzacyjnych, które następnie poddawano szczegółowym testom zmęczeniowym. Próbki zatapiano w komorze solnej, symulującej korozję morska, aby ocenić odporność na korozję w środowisku o wysokiej wilgotności i obecności chlorków.
Raporty z testów wykazały, że metalowe pianki zachowywały co najmniej 90% pierwotnej wytrzymałości po 1 000 godzin w warunkach korozyjnych, a ponadto wykazywały doskonałą zdolność do łagodzenia wibracji i drgań. W zastosowaniach motoryzacyjnych moduły przeznaczone do montażu w podwoziach pojazdów redukowały masę układu o 30%, jednocześnie zwiększając tolerancję na uderzenia boczne i absorpcję energii w razie kolizji. W lotnictwie lekkie panele kabinowe z pianki tytanowej obniżyły wagę samolotu o kilka procent, co przełożyło się na znaczące oszczędności paliwa.
Aby sprostać wymaganiom branży medycznej, opracowano certyfikowane standardy jakości według norm ISO 13485 dla komponentów implantacyjnych. Testy biologiczne wykazały biokompatybilność stopów tytanu z powierzchnią piankową o porach wielkości 300–500 µm, co sprzyjało integracji z kością w implantach ortopedycznych. Przeprowadzono również testy sterylizacji parą wodną i promieniowaniem gamma, potwierdzając zachowanie struktury i właściwości mechanicznych po kilkukrotnym procesie sterylizacji.
Podsumowując część drugą, partnerzy projektowi stwierdzili: „Metalowe struktury piankowe to przyszłość lekkiej inżynierii – od amortyzacji uderzeń po implanty kostne, ich wszechstronność otwiera nowe możliwości w wielu branżach.”
W trzeciej fazie badacze skupili się na integracji funkcjonalnych dodatków do metalowych piankowych struktur. Wspólnie z Wydziałem Fizyki UW opracowano wersję z wtryskiwanymi cząstkami piezoelektrycznymi, co pozwalało na generowanie napięcia w odpowiedzi na deformację mechaniczna. Prototypy takich elementów dla platform wibracyjnych testowano w laboratorium akustycznym, gdzie udało się wygenerować impulsy elektryczne o napięciu do 5 V przy 1 000 Hz drgań. To otworzyło perspektywy wykorzystania piankowych paneli jako samonapędzających się sensorów do monitorowania drgań w konstrukcjach mostów czy linii kolejowych.
Kolejnym krokiem było wykorzystanie metalowych piankowych struktur jako rdzeni w sandwichowych panelach kompozytowych do budownictwa. Firma EcoBuild przetestowała panele o wymiarach 2×1 m z rdzeniem ze stopu aluminium, zalewanym żywicą epoksydową. Wyniki badań wskazały na 40-procentowy spadek masy w porównaniu z tradycyjnymi panelami styropianowymi, przy jednoczesnym zachowaniu izolacyjności termicznej i akustycznej na poziomie klasy A1. Panele przeszły testy ogniowe i nawet po 30 minutach ekspozycji na 750 °C utrzymywały strukturę i nie uwalniały toksycznych gazów.
W medycynie zaawansowane implanty amortyzujące wstrząsy opracowano we współpracy z Centrum Badań Biomedycznych. Pianka tytanowa z porami 500 µm wypełniona hybrydowym hydrożelem medycznym została zastosowana w modelach stawów biodrowych, gdzie podczas symulacji chodu i biegu w symulatorze ortopedycznym pokazała redukcję sił ściskających aż o 35% w stosunku do standardowych implantów.
Na horyzoncie projektowym znajdują się metalowe pianki bazujące na stopach niklu i kobaltu, dostosowane do ekstremalnych warunków kosmicznych. ESA rozważa użycie tych materiałów do produkcji lekkich osłon radiacyjnych na orbitę. Prof. Zieliński podsumował: „Metalowe struktury piankowe to materiał przyszłości – lekki, wytrzymały, funkcjonalny i zrównoważony. Ich zastosowania otwierają nowe horyzonty w inżynierii lądowej, medycynie i kosmosie.” 🌟