Zobniki iz trajnostnih biološko osnovanih kompozitov – razvoj in vrednotenje zmogljivosti na podlagi nadgrajenih eksperimentalnih analiz in numeričnih simulacij

Glavni cilj predstavljenega projekta je razvoj biološko osnovanih polimernih kompozitov, izvedba ustrezne karakterizacije njihovih inženirskih lastnosti in razvoj nadgrajenega eksperimentalnega in numeričnega postopka analize, ki bo omogočal zanesljivo potrditev učinkovitosti in uporabnosti teh kompozitov v zobniških aplikacijah, primarno v paru z jeklenimi zobniki. Vzdržljivost razvitih kompozitov bo neposredno primerjana z referenčnimi naftno osnovanimi polimeri POM-H in PA66 (v kompozitni zasnovi s polnili CF/GF in PTFE).

Različne kombinacije biološko osnovanih materialov predstavljalo zelo potencialne kandidate za razvoj trajnostnih kompozitov na biološki osnovi. Kar zadeva matrico kompozita, so trenutno najbolj potencialni biološko osnovani termoplasti HDPE, PA, epoksidne smole in poliestri. Kot ojačitvena sredstva so dosegljive različne vrste celuloznih vlaken in mikrovlakenskih celuloznih praškov. Posebna pozornost bo namenjena doseganju močnih interakcij med matričnimi molekulami in ojačitvenimi celuloznimi vlakni, saj je to eden izmed dejavnikov, ki lahko najopazneje vpliva na trdnost in vzdržljivost izdelanega kompozita. Kot rezultat bodo razviti vsaj trije različni kompoziti na biološki osnovi.

Poleg tega bodo preučene tudi možnosti vključitve nanoceluloznih ojačevalcev, kot so celulozna nanovlakna (CNF) in celulozni nanokristali (CNC), v izbrane polimerne matrike. V okviru projekta sicer zaradi kompleksnih postopkov sintetizacije in predelave ni pričakovati, da bi uspeli pridobiti funkcionalne nanokompozite, pripravljene za preskušanje v obliki zobnikov.

V sklopu projekta bo nadalje razvit ustrezen algoritem za analizo podatkov, ki bo omogočal neposredne meritve obrabe po celotni aktivni zobni bočnici na različnih časovnih točkah testa. To bo omogočilo ovrednotenje stopnje obrabe za več ali, če je potrebno, za vse zobe preizkušenega polimernega zobnika. Z opazovanjem pomikov na pasivnem boku zoba bo mogoče izmeriti tudi kakršnekoli dolgoročno akumulirane deformacije. Meritve s hitro kamero bi verjetno lahko zagotovile še precej več uporabnih informacij o mehanskem obnašanju testiranega zobnika. Dokazano je npr. bilo, da kombinacija meritev s hitro kamero in pospeškomerom omogoča zaznavanje razpok zaradi utrujanja.

Faze projekta in njihova realizacija:DP1: Razvoj biološko osnovanih kompozitov

Aktivnost 1.1: Sistematična klasifikacija razpoložljivih osnovnih materialov

Temeljit pregled literature, ki je bil opravljen pred oddajo, bo podlaga za strukturirano klasifikacijo vseh razpoložljivih biološko osnovanih matričnih in ojačitvenih materialov, ki jih je mogoče uporabiti za sintezo kompozitov. Poleg tega bodo opredeljene najprimernejše metode za doseganje optimalne medsebojne interakcije med matrico in polnilom. Preučene bodo tudi možnosti za izdelavo biološko osnovanih laminiranih kompozitov in celuloznih nanokompozitov, čeprav ni pričakovati, da bi bilo nanokompozitne zobniške vzorce mogoče razviti znotraj časovnega okvira projekta.

Aktivnost 1.2: Zagotavljanje potrebnih temeljnih materialov

Za zagotovitev možnosti volumske proizvodnje razvitih kompozitov bodo v prvi vrsti upoštevani komercialno dosegljivi temeljni materiali, pri čemer bodo upoštevani tudi materiali (npr. ojačitvena vlakna), ki jih je za laboratorijske vzorce mogoče izdelati po meri, če lahko ti materiali v primerjavi s komercialnimi različicami nudijo pomembne prednosti. Skupaj bodo v fizikalnih kompozitnih konfiguracijah preizkušeni vsaj trije biološko osnovani matrični in trije biološko osnovani ojačitveni materiali.

Aktivnost 1.3: Razvoj in priprava kompozitov

Kompozitni vzorci bodo predvidoma proizvedeni predvsem z uporabo metode ekstrudiranja. Metoda bo zagotovila potrebne testne vzorce za karakterizacijo inženirskih lastnosti materiala (WP3). Poleg tega bodo ekstrudirani polizdelki uporabljeni za izdelavo zobniških vzorcev, potrebnih za nadaljnje preizkuse zobnikov. Zobniki bodo odrezani s kombinacijo frezanja, struženja in rezkanja zobnikov.

DP2: Materialna karakterizacija

Aktivnost 2.1: Mehanska karakterizacija

Mehanska karakterizacija razvitih kompozitov bo izvedena v treh korakih. V prvem koraku bo izvedena kvazi statična karakterizacija (v skladu z ISO 527 in/ali ISO 178) za določitev standardnih nateznih/upogibnih modulov materiala. Drugi korak bo izvedba DMA testov za identifikacijo dinamičnih modulov shranitve in izgub. Sledili bodo še testi ciklične obremenitve pri spremenljivih hitrostih deformacije in fiksni temperaturi (skladni s izbrano nominalno temperaturo pri zobniških testih), kar bo omogočalo naknadno identifikacijo konstitutivnih parametrov mehanskih modelov za simulacije obratovanja polimernih in kompozitnih zobnikov.

Aktivnost 2.2: Termična karakterizacija

Termična karakterizacija bo omogočila ovrednotenje termičnih parametrov, tj. toplotne prevodnosti, specifične toplote in difuzivnost. Ti so nujni za izvedbo fizikalno konsistentnih termičnih analiz obravnavanega zobniškega gonila.

Aktivnost 2.3: obrabna in torna karakterizacija

Ustrezno izvedeni tribološki testi zagotavljajo pomembne podatke o koeficientu trenja obravnavanega materialnega para (v tem primeru razvitega kompozita v paru z jeklom). Lastnoročno razvita naprava za tribološke preizkuse, ki omogoča teste v konfiguraciji s parom obročkov, bo prešla v fazo proizvodnje spomladi 2021 in bo na voljo za uporabo v prijaviteljevem laboratoriju. Tovrstne naprave so sicer na voljo tudi pri nekaterih akademskih partnerjih laboratorija.

Dobljeni rezultati bodo neposredno še primerjani s predhodno pridobljenimi rezultati za referenčne materiale POM-H in PA66 v kompozitni kombinaciji s CF/GF in PTFE).

DP3: Nadgrajena metoda testiranja zobnikov

Aktivnost 3.1: Nadgradnja obstoječega preizkuševališča, skladnega z VDI 2736

Trenutno razpoložljiva naprava za preizkušanje zobnikov omogoča preizkuse, skladne s smernico VDI 2736, z možnostjo regulacije nazivne temperature zobnikov ali brez le-te. V skladu z opisanimi raziskovalnimi cilji bo naprava nadgrajena s senzorji vibracij, nameščenimi čim bližje preizkušenemu zobniku (najbližji ležajni sedež), ki se bodo uporabljali za napovedovanje napredovanja poškodbenih mehanizmov, primarno obrabe, obravnavane pa bodo tudi vidne nukleacije razpok zaradi utrujanja.

Aktivnost 3.2: Zobniški testi z nadgrajenim merilnim postopkom

Testi obratovanja zobnikov bodo izvajani v treh fazah. Najprej bodo izvedeni preliminarni pospešeni testi za identifikacijo najbolj trpežnega razvitega kompozita (ali morebiti para kompozitov). Ta bo nato podvržen obsežnejšim testnim ciklom. Zmogljivost kompozita bo tudi tu primerjana z zmogljivostjo izhodiščnih materialov POM-H in PA66.

Izbran tip kompozitnega zobnika bo preizkušen s kombinacijo meritev s hitro kamero in vibracijskimi senzorji, že opisanih v raziskovalnih ciljih. Preizkusi bodo izvedeni pri dveh nominalnih temperaturah (60 in 90 °C), vsaj treh navorih in dveh obratovalnih hitrostih, ki bodo izbrane v skladu z geometrijo proizvedenih zobnikov. Nabori merilnih podatkov bodo uporabljeni za učenje razvitega algoritma SU, kar bo predvidoma podalo korelacijo med podatki iz meritev vibracij s stopnjami poškodb zaradi obrabe in utrujenosti, merljivimi iz zajemov s hitro kamero.

Aktivnost 3.3: Zobniški testi brez kontrole nominalne temperature

Poleg omenjenega bodo kompozitni zobniki podvrženi tudi preizkusom brez regulacije nominalne temperature. Ti preizkusi bodo tudi v tem primeru izvedeni vsaj za dva različna navora in dve obratovalni hitrosti. Korelacija temperaturnih rezultatov z izračuni na podlagi razvitega termičnega modela za polimerne izdelke bo omogočila neposredno ovrednotenje triboloških lastnosti zobniškega para in primerjavo z izvedenimi tribološkimi testi.

DP4: Nelinearne analize akumulacije deformacij v zobnikih

Aktivnost 4.1: Numerični model za napoved akumulacije deformacij

V prvi fazi aktivnosti bo izvedena podrobna raziskava glede razpoložljivih konstitutivnih polimernih mehanskih modelov, ki bi bili primerni tudi za uporabo pri zobniških numeričnih analizah. Na podlagi predhodnih raziskav je sicer pričakovati, da bo za doseganje skladnih rezultatov z izmerjenim mehanskim odzivom preizkušenih zobnikov treba uporabiti VE-VP nelinearen tip konstitutivnega modela. Za izvedbo simulacije akumulacije deformacij v daljšem časovnem obdobju obratovanja bo potreben prehod iz računsko zahtevnih tranzientnih analiz zobniškega ubiranja  v aproksimativno obliko modela z ustaljenimi pogoji. To bo omogočeno z uporabo principa časovnega povprečenja vnesene energije po okvirnem vzoru tistega, ki je bil uporabljen v predhodno razvitem termičnem modelu [12]. V tem primeru se bo pri zobniških preizkusih upoštevala konstantna (kontrolirana) nominalna temperatura.

Aktivnost 4.2: Termične analize testiranih zobniških parov

Te analize bodo uporabljene za modeliranje termičnega obnašanja zobnikov med obratovanjem,  ko ni zagotovljena zunanja kontrola nominalne temperature. Temeljile bodo na predhodno razvitem termičnem modelu in bodo uporabljene predvsem za potrditev korelacije med predhodno izvedenimi tribološkimi testi in meritvami temperature med obratovanjem zobniškega para. V primeru, da COF, izmerjen med tribološkimi preizkusi, sovpada s COF, ki je prisoten med obratovanjem zobnikov (kot je pričakovano), bi moral numerični model to potrditi z napovedjo temperature v skladu z meritvami pri zobniških testih. Obstaja namreč neposredna povezava  med COF in dvigom temperature.