Trajnostna uporaba polimerov v gospodinjskih aparatih – Napoved dolgoročnega viskoelastičnega obnašanja

Uporaba polimerov v gospodinjskih aparatih za posamezne sestavne dele in končne izdelke se z leti nenehno povečuje. To je razumljivo, saj je polimere enostavno predelati, imajo odlično razmerje med trdnostjo in maso, so kemijsko odporni in imajo dobre električne lastnosti.

Čeprav se polimeri že relativno dolgo uporabljajo v gospodinjskih aparatih, je njihovo vključevanje v kompleksne izdelke in sestavne dele, zlasti zaradi povečane potrebe po trajnosti, še vedno izziv. Ena glavnih značilnosti polimernih materialov je, da se njihove mehanske lastnosti (lastnosti, ki določajo strukturno trdnost izdelka) s časom, obremenitvijo in okoljskimi pogoji lahko močno spremenijo. V praksi to pomeni, da se lahko funkcionalnost in trajnost izdelkov, ki so narejeni iz polimerov, v njihovem življenjskem ciklu, bistveno spremeni, kar vodi do prezgodnje funkcionalne ali strukturne okvare polimernih izdelkov.

Druga pomembna slabost polimerov pa je tudi ta, da je večina še vedno narejenih iz naravnih virov. Njihova povečana uporaba že močno vpliva na ljudi in okolje. Cilji EU bodo v prihajajočih letih, ki so začrtani tudi v evropskem Zelenem dogovoru, usmerjeni k trajnosti izdelkov, tako da bodo morali izdelki, plasirani na trg EU, imeti daljšo trajnost, biti bodo morali enostavni za ponovno uporabo z zmožnostjo popravila in recikliranjem, morali pa bodo vključevati tudi čim več recikliranega materiala. Poleg tega je v naslednjih letih mogoče pričakovati sprejem načela trajnosti in načinov za urejanje različnih vidikov, povezanih s proizvodi, ki bodo zahtevali:

• izboljšano trajnost, ponovno uporabnost, nadgradljivost in popravljivost izdelkov,
• povečano vsebnost recikliranih komponent v končnih izdelkih in
• omejitve izdelkov za enkratno uporabo in preprečevanje prezgodnjega staranja izdelkov.

Očitno je, da bo potrebno prednosti uporabe polimerov v gospodinjskih aparatih uravnotežiti z zahtevami po večji trajnosti, kar je povezano s sposobnostjo zanesljive napovedi dolgoročnega vedenja polimernih izdelkov, ki so med uporabo izpostavljeni različnim okoljskim pogojem.

V skladu s tem je glavni cilj predlaganega aplikativnega projekta razviti metodologijo za napovedovanje časovno odvisnega napetostno-deformacijskega vedenja polimernih izdelkov pri nizkih do srednjih napetostih, pri različnih temperaturah in vlažnosti. Metodologija bo omogočila proizvodnjo gospodinjskih aparatov z novimi oblikovalskimi rešitvami z daljšo življenjsko dobo in manjšim vplivom na okolje.

Metodologija bo temeljila na natančni karakterizaciji časovno odvisnih lastnosti materiala in napovedovanju dolgoročnega vedenja materiala, skupaj z validiranim FEM materialnim modelom. Metodologija bo vključevala popis nelinearnih časovno odvisnih procesov in bo omejena na obremenitve s konstantno napetostjo, ter bo veljavna tudi do območja izrazitih nelinearnosti materiala oziroma do odpovedi materiala. Čeprav je področje nelinearnega viskoelastičnega vedenja polimerov razmeroma znano, pa nelinearni modeli še niso bili uporabljeni za napovedovanje dolgoročnega vedenja materiala, kar je eden glavnih ciljev tega projekta. Tako bomo v okviru projekta obravnavali možnost uporabe principa časovno-temperaturne superpozicije v nelinearnem območju vedenja materialov, natančno karakterizacijo materiala v nelinearnem režimu, modeliranje in implementacijo FEM materialnega modela v programsko kodo. Poleg tega bomo preverili še natančnost napovedane trajnosti polimernih izdelkov.

Trije projektni partnerji Laboratorij za eksperimentalno mehaniko, Laboratorij za numerično modeliranje in simulacijo ter sofinancer projekta BSH Gospodinjski aparati, Nazarje imajo potrebno znanje, izkušnje in eksperimentalno opremo za uspešno izvedbo projekta, zato pričakujemo, da bodo rezultati projekta privedli do novega in izboljšanega načina oblikovanja polimernih elementov in izdelkov za gospodinjske aparate.

Faze projekta in njihova realizacija:Raziskovalno delo je organizirano v štirih glavnih delovnih sklopih, kjer je četrti delovni sklop namenjen upravljanju in razširjanju rezultatov projekta. Omenjeni delovni sklopi so:

Delovni sklop 1: Linearna viskoelastična karakterizacija in modeliranje

Naloga 1.1: Priprava vzorca in analiza strukture vzorca (status: zaključen, poročilo: COBISS.SI-ID 121227523)

Naloga 1.2: Karakterizacija materiala in določanje lastnosti materiala (status: zaključen, poročilo: COBISS.SI-ID 121231519)

Naloga 1.3: MKE analiza in verifikacija modela

Delovni sklop 2: Nelinearna viskoelastična karakterizacija in modeliranje

Naloga 2.1: Karakterizacija materiala in določanje nelinearnih lastnosti materiala (status: zaključen 1/2 materialov)

Naloga 2.2: Implementacija MKE nelinearnega viskoelastičnega vedenja

Naloga 2.3: Validacija MKE nelinearnega viskoelastičnega modela

Delovni sklop 3: Nadgradnja in posplošitev metodologije

Naloga 3.1: Vpliv vlage

Naloga 3.2: Posplošitev metodologije

Delovni sklop 4: Upravljanje in razširjanje projektov

Naloga 4.1: Upravljanje in diseminacija

Naloga 4.2: Seminarji za BSH