Ústav fyziky materiálů AVČR je zapojen do projektu špičkového výzkumu OPJAK MEBioSys. Naše pracoviště se v projektu zaměřuje zejména na aditivní výrobu kovových a keramických materiálů. Naším cílem je využít biomimetiku (design inspirovaný přírodou) jako jednoho z nástrojů jak vytvořit odolnější a spolehlivější strojní součásti. Přečtěte si rozhovor s řešiteli projektu MEBioSys, prof. Martinem Hartlem z FSI VUT a prof. Pavlem Hutařem z ÚFM AV ČR, který byl publikován v příloze Hospodářských novin – Budoucnost strojírenství.
„V tradičním strojírenství to dříve nebylo tolik patrné, protože si vystačilo s empirickými přístupy a konvenčními materiály, jako jsou ocel nebo různé slitiny neželezných kovů. Dnes stále častěji čerpáme inspiraci z přírody, která představuje miliardy let evolučního testování a ladění,“ říká profesor Martin Hartl, ředitel Ústavu konstruování Fakulty strojního inženýrství VUT v Brně.
Příroda ukazuje lehké a pevné konstrukce
Příkladem řešení inspirovaného přírodou, v tomto případě chobotnicí, jsou robotická chapadla s měkkými a flexibilními koncovkami umožňujícími bezpečné uchopení křehkých či nepravidelných předmětů, které by klasická tvrdá hydraulická ruka mohla poškodit. Lopatky turbín se zase inspirovaly tvary velrybích ploutví, kde specifické hrbolky na okrajích nejenže snižují turbulence a hlučnost, ale také zvyšují účinnost proudění. „Dalším inovativním přístupem jsou mikrostrukturované povrchy připomínající zmiňovanou žraločí kůži, čímž se dosahuje významného snížení odporu při proudění tekutin. Biomimetické principy se také využívají u samoopravných a samomazných materiálů, kde jsou do základní hmoty integrovány mikro‑ či nanokapsle se specifickými látkami. V případě poškození se kapsle aktivují, uvolní se jejich obsah a dojde k opravě defektu nebo redukci tření, což vede k prodloužení životnosti zařízení a snížení nákladů na údržbu,“ popisuje Hartl.
Nové materiály a superlubricita
Martin Hartl vede projekt MEBioSys, který je zaměřený na strojní inženýrství bioinspirovaných systémů. Hlavním cílem projektu je vyvinout adaptivní materiály a mechatronické systémy inspirované přírodními principy. Jde například o samoopravitelnost či schopnost reagovat na lokální zatížení. V rámci průmyslových aplikací se zaměřuje na tvorbu nových materiálových struktur s využitím aditivních technologií, které mohou výrazně zvýšit životnost a snížit energetické nároky kritických komponent, například v letectví a automobilovém průmyslu.
„Největší výzvou je skutečnost, že příroda pracuje s různorodými materiály a vytváří struktury ‚zevnitř ven‘, zatímco v inženýrství často postupujeme opačně. Naším úkolem je vyvinout technologie, které umožní výrobu vnitřně dutých, porézních konstrukcí s vícero vrstvami, přičemž musí být zajištěna jejich ekonomická efektivita a průmyslová reprodukovatelnost,“ vysvětluje Hartl. Pokud se cíl projektu podaří naplnit, otevře se konstruktérům řada nových možností. Výsledkem mohou být například lehčí karoserie kolejových vozidel s integrovaným tlumením vibrací, což by významně prodloužilo životnost jak samotných vozových souprav, tak kolejí.
Příroda v aditivní výrobě
Profesor Pavel Hutař z Ústavu fyziky materiálů AV ČR se v rámci projektu MEBioSys se svým týmem zaměřuje na oblast aditivní výroby kovových materiálů. Inspirace přírodou v 3D tisku kovů se již využívá při výrobě tepelných výměníků, kde požadovanou funkcí je rychlý odvod tepla z daného média. „K tomuto účelu výborně slouží gyroidní struktury, které mají vysoký poměr funkčního povrchu k celkovému objemu. Častým motivem je také včelí plástev, kombinující dobrou tuhost a nízkou hmotnost,“ říká Hutař.
Aditivní technologie jsou v průmyslu využívány na výrobu tvarově složitých těles, která nelze vyrobit konvenčními způsoby. „My jsme ale přesvědčeni, že to je pouze začátek uplatnění těchto technologií a dalším krokem bude možnost ovlivnit samotnou vnitřní strukturu kovového materiálu, tedy krystalovou mřížku. Její orientace vůči směru zatěžování určuje výsledné mechanické vlastnosti dílu vyrobeného 3D tiskem,“ vysvětluje Hutař.
Cílem je nejen výroba tvarově složitých těles, ale také optimalizace vnitřní struktury materiálu, která umožní maximalizovat mechanické a funkční vlastnosti dané slitiny. „K tomuto účelu používáme k dnešnímu dni nejrozšířenější metodu selektivního tavení práškového lože pomocí laserového paprsku. Nejnovější výsledky potvrzují naši hypotézu o možnosti lokální manipulace struktury a tím i mechanických vlastností,“ říká Hutař.
Inspirací pro výzkum je právě příroda, ve které se po miliony let rostliny i živočichové neustále adaptují na vnější prostředí a díky tomu dokážou zkombinovat často protichůdné požadavky, jako je vysoká pevnost při velice nízké hmotnosti, které současné průmyslové materiály ani zdaleka nedosahují.
„Je to často zapříčiněno složitou vnitřní strukturou jejich těl, kterou jsme velice dlouho nebyli schopni napodobit kvůli technickým omezením tradičních výrobních technologií. Aditivní technologie však toto paradigma narušily a otevírají nám možnost brát si inspiraci z přírody a přenést ji do průmyslových aplikací,“ vysvětluje Hutař. Díky tomuto novému přístupu se otevírají dosud nepoznané možnosti pro konstruktéry a designéry, které budou představovat velkou změnu pro průmysl. Umožní totiž skutečnou individualizaci produktu pro konkrétní potřeby jednotlivých zákazníků.
„Selektivní laserové tavení práškového lože je velice flexibilní metoda. Jsme schopni měnit mnoho parametrů od výkonu laseru až po trajektorii paprsku v dané oblasti. Díky tomu je možné vytvořit výrobní strategii, která je schopna napodobit mnohé struktury pozorované v přírodě a tím se přiblížit i požadované kombinaci mechanických vlastností, jako například pevnost, pružnost nebo tvrdost,“ popisuje Hutař. Mezi napodobované konstrukce patří složité vnitřní struktury mořských hub, stavba motýlích křídel, která kombinují dobrou tuhost a vysokou ohebnost při zachování nízké hmotnosti, nebo vnitřní stavba lastury mořských mušlí, na kterých je pod mikroskopem vidět pevná lamelární struktura. Díky tomu by mohly vzniknout materiály, které jsou v některých směrech pevnější a v jiných poddajnější.
Celý článek čtěte na serveru Hospodářských novin.
