V sklopu projekta Z2-50081 so bili razviti zaščitni kompozitni materiali z oblikovnim spominom. Izdelani so bili na način, da so bile v osnovno polimerno matrico vgrajene kovinske ojačitve iz Nitinola, ki ima oblikovni spomin. Takšni kompoziti zajemajo vse prednosti geometrije poroznosti na eni strani in nosilnih ojačitev iz materialov z oblikovnim spominom na drugi. S takšno kombinacijo so bile dosežene nekatere lastnosti, ki jih ni mogoče doseči s konvencionalnimi materiali, kot sta možnost doseganja negativnega Poissonovega števila in sposobnost (samo)popravljanja geometrije izdelkov. Poleg 3D CAD modelov in izpeljanih virtualnih simulacij so bili izdelani tudi eksperimentalni, fizični preizkušanci, ki so bili testirani na preizkuševališčih.

V času trajanja projekta sta bila v tej smeri razvita dva neodvisna koncepta, ki sta vključevala:

i) izdelavo in preizkus reakcijskega odziva hibridne celične strukture z zmožnostjo preobrazbe celic, oblikovanih v silhuete diamantnih oblik – glej Sliko 1, in

ii) razvoj ter izdelavo avksetičnega kompozita s sposobnostjo koriščenja oblikovnega spomina žic za regeneracijo poškodovanih delov – glej Sliko 2.

Slika 1: Hibridna celična struktura, oblikovana v silhuete diamantnih oblik.

V obeh primerih je regeneracija prizadejanih poškodb na površini strukture temeljila na izkoriščanju oblikovnega spomina žic, izdelanih iz zlitine Nitinola. Dobljeni rezultati so bili predstavljeni v dveh ločenih izvirnih znanstvenih člankih (COBISS.SI-ID 254349571 in 254324483).

Slika 2: Avksetični kompozit s sposobnostjo regeneracije poškodovanih delov.

Primerki naprednih kompozitov so bili 3D-modelirani in simulirani v odzivanju. Nato so bili tudi eksperimentalno izdelani in fizično testirani, kar lahko vidimo na Sliki 3. Simulacije in eksperimentalna testiranja kažejo zelo dobro ujemanje rezultatov.

Slika 3: Testiranje realnega odziva avksetične celične strukture s sposobnostjo regeneracije oblike

Predstavljeni in izdelani večfunkcionalni strukturi z zmožnostjo preobrazbe celic izkoriščata ugodne lastnosti poroznosti, kot so možnost vplivanja na odzivanje z želenim pozitivnim ali negativnim Poissonovim razmerjem ter dušenje hrupa in vibracij. Posledično so bili raziskani tudi vplivi oblike, velikosti in lege por na zdržljivost gradiva. V ta namen so bila uporabljena statistična orodja na osnovi multivariantnih Gaussovih funkcij in v raziskovalni skupini razvita koda REBMIX. Pridobljena klasifikacija por predstavlja pomembno izhodišče pri oblikovanju novih oblik celičnih struktur. Vzporedno je bil raziskan tudi vpliv hrapavosti površine na dobo trajanja, kar lahko vidimo na Sliki 4. Rezultati te analize por so bili predstavljeni v ločenem znanstvenem članku (COBISS.SI-ID 238058499).

Slika 4: Analiza vpliva oblike, velikosti in usmerjenosti por ter hrapavosti površine na dobo trajanja materiala.

Poleg metod napovedovanja dobe trajanja je bila razvita tudi prilagojena koda XFEM, ki deluje na principu razširjene metode končnih elementov. Ta metoda omogoča iskanje kritičnih mest ter simulacijo nastanka realnih razpok v trenutno preobremenjenih strojnih elementih in strukturah. Nova metoda je bila predstavljena na konferenci (COBISS.SI-ID 182089475).

V zaključnem delu projekta se je raziskovanje osredotočilo na razvoj koncepta zaščitnega panela z dvojnim ciljem: doseganje dobre zaščitne funkcije ob hkrati čim manjši masi zaščitnega sredstva. Razvit je bil poseben zaščitni kompozit, ki v jedru vključuje celično oblikovano osnovo z avksetičnimi lastnostmi (glej Sliko 5). Povečan zaščitni učinek je bil dosežen z dodajanjem kevlarja na prednjo ploskev strukture. Preliminarni testi so pokazali zelo dobre rezultate pri disipaciji energije ob trku nevarnega objekta v zaščitno plast, kar odpira jasno smer za nadaljnje raziskave.

Slika 5: Delovanje koncepta razvoja aktivnega celičnega kompozita s povečanim zaščitnim učinkom.

Pripravljena in v sistemu COBISS so vnešena vsa štiri načrtovana obširnejša poročila dela v skladu s časovnico uresničevanja projekta. Njihovi kratki povzetki so sledeči:

Mejnik M1: Določitev osnovnih oblik celic kompozita in poteka ojačitev iz SMA materiala.
V prvem delu poteka raziskav smo opredelili obstoječe znane oblike zaproceličnih struktur in por, preverili njihove prednosti in slabosti ter nato izoblikovali dva ločena koncepta oblikovanja celic strukture. Prvi je vseboval silhueto diamantne oblike celic, drugi pa avksetično oblikovane celice. V tem delu smo s postopkom 3D-tiskanja že izdelali prve eksperimentalne primerke preizkušancev, ki so bili s testom žice iz Nitinola preliminarno testirani. Na ta način smo pridobili osnovne lastnosti materialov za potrebe MKE simulacij. Za več podrobnosti glej: COBISS.SI-ID 194560515.

Stopnja uresničitve: 100 %

Mejnik M2: Eksperimentalna karakterizacija in povratni inženiring za osnovni material.
V drugem delu poteka raziskav so bile natančno izoblikovane oblike celic, kjer je bila glavnina časa posvečena optimizaciji celičnih povezav za olajšano rotacijo celic med deformacijo. Hkrati je bila izvedena ustrezna namestitev žične armature iz Nitinola v matriko kompozita. Na sestavu kompozita so bili izvedeni statični preizkusi odzivnosti na eksperimentalnem servohidravličnem preizkuševališču MTS, kjer smo določili mejo plastičnosti in natezno trdnost sestava. Za več podrobnosti glej: COBISS.SI-ID 216843267.

Stopnja uresničitve: 100 %

Mejnik M3: Definiranje optimalnih končnih oblik novih zaščitnih struktur z zmožnostjo celične preobrazbe za namen eksperimentalnih testov.
V tretjem delu poteka raziskovanja so bili izvedeni eksperimentalni testi načrtnih obremenitev kompozitnih struktur in takoj zatem preizkusi regeneracije deformiranih delov geometrije. Natančno je bila preizkušena temperaturna aktivacija nameščene notranje armature iz zlitine Nitinola v dveh različnih medijih (na vročem zraku in s potapljanjem v vodi). Analizirane so prednosti in slabosti obeh načinov aktivacije. Za več podrobnosti glej: COBISS.SI-ID 223202563.

Stopnja uresničitve: 100 %

Mejnik M4: Celotna sinteza raziskovalnih rezultatov in diseminacija.
V četrtem, zaključnem delu projekta je bila izvedena celostna sinteza vseh pridobljenih raziskovalnih rezultatov ter njihova diseminacija v akademsko in industrijsko okolje. Objavljeni so bili štirje izvirni znanstveni članki v revijah Q1 z visokim faktorjem vpliva: Composites Part B: Engineering (IF = 14,2), Materials & Design (IF = 7,9), Journal of Materials Research and Technology (IF = 6,6) in Trees, Forests and People (IF = 2,9), pri čemer kumulativni faktor vpliva presega IF > 31. Vsi ključni članki so bili prevedeni v slovenščino za prenos terminologije v domači prostor. Rezultati so javno dostopni preko Repozitorija Univerze v Ljubljani (RUL) v skladu z načeli odprte znanosti. Raziskave so bile vključene tudi v pedagoški proces pri predmetu Strojni elementi, kjer sta dva študenta iz tematike oblikovanja učinkovitih celičnih struktur za izboljšano disipacijo energije uspešno zaključila magistrski praktikum in diplomsko delo. Za več podrobnosti glej: COBISS.SI-ID 254353667.

Stopnja uresničitve: 100 %

Med raziskovanjem možnosti uporabe celičnih struktur z možnostjo preobrazbe celic je bilo odkrito še eno možno področje uporabe rešitev iz tekočega projekta, in sicer gozdarstvo ter zaščita dreves. V letu 2024 smo razvili posebno avksetično objemno varovalno strukturo, ki se deformira v skladu z negativnim Poissonovim razmerjem, kar pomeni, da se samodejno prilagaja rasti drevesa. Struktura, ki jo lahko vidimo na Sliki 6, ščiti pred poškodbami lubja, ki jih lahko povzročijo divje živali ali človek pri spravilu lesa.

Slika 6: Razvoj in preizkus delovanja nove strukture za zaščito dreves.

Na podlagi pridobljenih rezultatov je bila razvita nadgrajena različica strukture, za katero sta bili vloženi slovenska in evropska patentna prijava. Nadgrajena struktura vsebuje variabilno geometrijo celic, ki omogoča prilagajanje stožčastim delom drevesnega debla ob korenini. Vključuje tudi varovalne mehanizme za samodejno odpenjanje v primerih, ko koncentracije napetosti mreže na steblo presežejo dovoljene vrednosti, s čimer je preprečeno morebitno poškodovanje lubja ali oviranje rasti drevesa. Razvita rešitev tako združuje zaščitno funkcijo z dolgoročno neškodljivostjo za drevo in predstavlja inovativen prispevek na področju varstva gozdov in drevoredov.

Slika 7: Skica zaščitne strukture dreves za patentne prijave.

Priznanje za odličen prispevek v kategoriji raziskave (Slika 8 – levo):

Tomažinčič D., Klemenc J. Prilagojena tehnika XFEM za odkrivanje razpok v zobnikih in drugih preobremenjenih nosilnih strukturah. Akademija strojništva: inženirstvo – povezovanje za trajnostni preboj, 2023, vol. 12 [COBISS.SI-ID 182089475]

Priznanje za najboljši prispevek Akademije strojništva 2024 (Slika 8 – desno):

Tomažinčič D., Klemenc J. Razvoj aktivnega celičnega kompozita s sposobnostjo koriščenja oblikovnega spomina žic za regeneracijo udrtin in drugih poškodb. Akademija strojništva: inženirstvo – inovativen trajnostni razvoj z visoko dodano vrednostjo, 2024, vol. 13 [COBISS.SI-ID 222143491] 

Slika 8: Dobljena priznanja v okviru temeljnega podoktorskega projekta Z2-50081.

IZVIRNI ZNANSTVENI ČLANKI:

[1] D. Tomažinčič, J. Kajbič, J. Klemenc, Development and fabrication of an auxetic composite with the shape memory effect for the regeneration of damaged parts, Composites Part B: Engineering 309 (2026) 113034. [COBISS.SI-ID 254324483] https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2025.113034

[2] (prevedeno v slovenski jezik) D. Tomažinčič, J. Kajbič, J. Klemenc, Development and fabrication of an auxetic composite with the shape memory effect for the regeneration of damaged parts, Composites Part B: Engineering 309 (2026) 113034. https://repozitorij.uni-lj.si/IzpisGradiva.php?id=175237

[3] D. Tomazincic, J. Kajbič, J. Klemenc, Fabrication and Response Testing of a Hybrid Cellular Structure with the Ability to Transform Cells Formed into Diamond-Shaped Silhouettes, Materials & Design 259 (2025) 114822. [COBISS.SI-ID 254349571] https://doi.org/10.1016/j.matdes.2025.114822

[4] (prevedeno v slovenski jezik) D. Tomazincic, J. Kajbič, J. Klemenc, Fabrication and Response Testing of a Hybrid Cellular Structure with the Ability to Transform Cells Formed into Diamond-Shaped Silhouettes, Materials & Design 259 (2025) 114822. https://repozitorij.uni-lj.si/IzpisGradiva.php?id=175242

[5] D. Tomažinčič, J. Klemenc, Development of a special self-adaptive auxetic structure for protecting tree trunks from external damage, Trees, Forests and People 20 (2025) 100860. [COBISS.SI-ID 237990915] https://doi.org/10.1016/j.tfp.2025.100860

[6] (prevedeno v slovenski jezik) D. Tomažinčič, J. Klemenc, Development of a special self-adaptive auxetic structure for protecting tree trunks from external damage, Trees, Forests and People 20 (2025) 100860. https://repozitorij.uni-lj.si/IzpisGradiva.php?id=169542

[7] D. Tomažinčič, B. Panić, M. Nagode, J. Klemenc, The fatigue life estimation of the porous AlSi9Cu3 alloy based on the classification of pore geometry using multivariate probability distribution density, Journal of Materials Research and Technology 36 (2025) 10039–10054. [COBISS.SI-ID 238058499] https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2025.05.076

[8] (prevedeno v slovenski jezik) D. Tomažinčič, B. Panić, M. Nagode, J. Klemenc, The fatigue life estimation of the porous AlSi9Cu3 alloy based on the classification of pore geometry using multivariate probability distribution density, Journal of Materials Research and Technology 36 (2025) 10039–10054. https://repozitorij.uni-lj.si/IzpisGradiva.php?id=170837

OBJAVLJENI ZNANSTVENI PRISPEVKI NA KONFERENCAH:

[9] D. Tomažinčič, A. Škrlec, J. Klemenc, Segment zaščitnega panela z odzivno geometrijo in samopopravljivimi lastnostmi, Akademija strojništva 14 št. 1/6 (2025) 158–159. [COBISS.SI-ID 261692675] https://doi.org/10.62020/svet.str.as2025058.

[10] D. Tomažinčič, J. Klemenc, Razvoj aktivnega celičnega kompozita s sposobnostjo koriščenja oblikovnega spomina žic za regeneracijo udrtin in drugih poškodb, Akademija strojništva 13 št. 1/6 (2024) 74–75. [COBISS.SI-ID 222143491] https://doi.org/10.62020/svet.str.as2024016.

[11] D. Tomažinčič, J. Klemenc, Razvoj posebne žične avksetične strukture za namestitev poškodovanega lubja nazaj okoli debla prizadetega drevesa iglavca, Akademija strojništva 13 št. 1/6 (2024) 78–79. [COBISS.SI-ID 222170883] https://doi.org/10.62020/svet.str.as2024018.

[12] D. Tomažinčič, J. Klemenc, Prilagojena tehnika XFEM za odkrivanje razpok v zobnikih in drugih preobremenjenih nosilnih strukturah, Akademija strojništva 12 št. 3/6 (2023) 114–115. [COBISS.SI-ID 182089475] https://plus-legacy.cobiss.net/cobiss/si/sl/bib/182089475#full.

STROKOVNI ČLANKI:

[13] D. Tomažinčič, Avksetična mreža – samoprilagodljiva zaščita, ki raste z drevesom. Bistriški odmevi 135 (2025) 46–47. [COBISS.SI-ID 267891459] https://www.ilirska-bistrica.si/objava/1159588.

SAMOSTOJNI ZNANSTVENI REZULTATI (SSRN)

[14] D. Tomazincic, J. Kajbič, J. Klemenc, Fabrication and Response Testing of a Hybrid Cellular Structure with the Ability to Transform Cells Formed into Diamond-Shaped Silhouettes, SSRN. http://dx.doi.org/10.2139/ssrn.5096746

DIPLOMSKA DELA ŠTUDENTOV IN MAGISTRSKI PRAKTIKUMI:

[15] M. Štukelj, Zasnova 3D tiskanih struktur z oblikovnim spominom iz PLA materiala: diplomsko delo Visokošolskega strokovnega študijskega programa I. stopnje Strojništvo – Projektno aplikativni program. [COBISS.SI-ID 247244035] https://plus-legacy.cobiss.net/cobiss/si/sl/bib/247244035#full

[16] J. Simončič, Simulacija preboja sendvič kompozitov in analiza vpliva različnih oblik 3D tiskanih struktur na prebojnost kompozita: Projektni praktikum – MAG, magistrski študijskega programa II. stopnje Strojništva

ELABORATI IN ŠTUDIJE:

[17] M1-bazična oblikovanja struktur celičnega kompozita. [COBISS.SI-ID 194560515] https://plus-legacy.cobiss.net/cobiss/si/sl/bib/194560515#full

[18] M2 – preizkus modeliranja in izdelave različnih izvedb aktivnih celičnih struktur : ARRS-RPROJ-JR-Prijava-2023/584 : Z2-50081. [COBISS.SI-ID 216843267] https://plus legacy.cobiss.net/cobiss/si/sl/bib/216843267#full

[19] M3 – testiranje reakcijskih odzivov različnih izvedb aktivnih celičnih struktur : ARRS-RPROJ-JR-Prijava-2023/584 : Z2-50081. [COBISS.SI-ID 223202563] https://plus legacy.cobiss.net/cobiss/si/sl/bib/223202563#full

[20] M4 – končna predstavitev rezultatov raziskave aktivnih celičnih struktur : ARRS-RPROJ-JR-Prijava-2023/584 : Z2-50081. [COBISS.SI-ID 254353667] https://plus-legacy.cobiss.net/cobiss/si/sl/bib/254353667#full