Kompozyt zamiast stali. Lżejsze sprężyny dla przemysłu

Stalowe sprężyny mogą zostać zastąpione konstrukcjami kompozytowymi, których masa jest nawet o 70% mniejsza, a właściwości mechaniczne można dostosować do konkretnego zastosowania. Taką technologię opracował zespół Politechniki Lubelskiej. Rozwiązanie, rozwijane początkowo z myślą o zastosowaniu w pojazdach, może być zastosowane również w przemyśle maszynowym, szczególnie w urządzeniach wykorzystujących drgania.

Technologia ma już za sobą pierwszą komercjalizację. Obecnie przygotowywana jest seria sprężyn dla kolejnego odbiorcy, który przetestuje je w rzeczywistych warunkach pracy.

 

Konstrukcja inna niż tradycyjna sprężyna

Opracowane przez naukowców rozwiązanie nie jest prostym zastąpieniem stali materiałem kompozytowym. Sprężyna ma inną geometrię i wykorzystuje specyficzne właściwości kompozytów przez pracę w płaszczyźnie oraz kontrolowane wyboczenie.

Nasze rozwiązanie wyłamuje się z tradycyjnych schematów geometrycznych. Dzięki zastosowaniu materiałów kompozytowych, czyli nie stali, jesteśmy w stanie modyfikować właściwości, istotnie redukując masę tego rozwiązania, nawet do 70% w porównaniu do stalowych odpowiedników. Zachowujemy przy tym wymagane właściwości oraz możliwość ich zmiany – od redukcji sztywności po jej wzrost, a także od zmniejszenia maksymalnego odkształcenia po jego zwiększenie – mówi dr hab. inż. Patryk Jakubczak, profesor Politechniki Lubelskiej.

 

 

Sprężyny są wykonywane z kompozytów polimerowych wzmacnianych włóknami węglowymi, szklanymi lub aramidowymi. Odpowiednie zaprojektowanie układu warstw i orientacji włókien pozwala kształtować parametry konstrukcji już na etapie projektowania.

W praktyce oznacza to możliwość określenia wymaganej siły ugięcia, zakresu odkształcenia czy charakterystyki pracy sprężyny. Możliwe jest również uzyskanie charakterystyki progresywnej, w której sztywność zmienia się wraz z ugięciem.

To właśnie możliwość dostosowania parametrów do konkretnego urządzenia jest jednym z najważniejszych elementów rozwijanej technologii.

 

Nie tylko motoryzacja

Jednym z pierwszych obszarów zainteresowania zespołu była motoryzacja i elektromobilność, gdzie ograniczenie masy elementów konstrukcyjnych przekłada się bezpośrednio na efektywność pojazdu. Sprężyny kompozytowe mogą być również stosowane w rowerach czy wózkach inwalidzkich, w tym elektrycznych.

Z czasem naukowcy dostrzegli jednak kolejne możliwości zastosowania technologii – przede wszystkim w przemyśle maszynowym.

– Sprężyny kompozytowe mogą znaleźć zastosowanie przede wszystkim w przemyśle motoryzacyjnym, w rowerach, w sektorze e-mobility, gdzie redukcja masy ma duże znaczenie, ale także możliwość dostrojenia właściwości. W toku prac okazało się, że mogą znaleźć duże zastosowanie w przemyśle maszynowym, szczególnie w obszarze maszyn wibrujących, takich jak dozowniki, przenośniki czy stoły wibracyjne – wskazuje prof. Jakubczak.

W przypadku maszyn wibracyjnych istotna jest nie tylko wytrzymałość elementu, lecz także jego masa i właściwości dynamiczne. Mniejsza masa sprężyny oznacza mniejszą bezwładność, a kompozyty charakteryzują się dodatkowo dobrymi właściwościami tłumienia drgań.

Istotną zaletą jest również odporność na korozję. Materiały kompozytowe nie przewodzą prądu elektrycznego i są obojętne na działanie pola magnetycznego, co może być dodatkowym atutem w określonych aplikacjach.

 

Sprężyna projektowana pod maszynę

Sprężyny kompozytowe są już stosowane w przemyśle i dostępne na rynku, m.in. w Stanach Zjednoczonych i Niemczech. W istniejących rozwiązaniach producent oferuje zazwyczaj określony katalog elementów o zdefiniowanych parametrach. Konstruktor musi więc dobrać sprężynę do swojej maszyny.

Lubelski zespół proponuje odwrotne podejście – zaprojektowanie sprężyny pod konkretną aplikację.

Każda maszyna ma bowiem własne wymagania: określoną masę, częstotliwość pracy, liczbę podpór, ograniczenia przestrzenne czy sposób mocowania. Możliwość kształtowania parametrów sprężyny pozwala uwzględnić te czynniki już na etapie projektowania.

Nasza innowacja w tym obszarze polega na możliwości kształtowania właściwości zgodnie z wymaganiami i oczekiwaniami konstruktorów maszyn. Każda maszyna jest zastosowana do konkretnej linii produkcyjnej, która ma swoje unikalne cechy, takie jak masa, wymagana częstotliwość, liczba podpór czy ograniczenia geometrii. Możemy kształtować te właściwości i dostarczać rozwiązanie maksymalnie efektywne w danej aplikacji – podkreśla prof. Jakubczak.

Takie podejście ma szczególne znaczenie w odniesieniu do maszyn projektowanych od podstaw. Konstruktor może wówczas od początku uwzględnić geometrię, sposób pracy i parametry sprężyny kompozytowej. W przypadku modernizacji istniejącego urządzenia zastąpienie stalowego elementu może wymagać dodatkowych obliczeń oraz zmiany sposobu montażu i mocowania.

 

Technologia sprawdzona w wymagających zastosowaniach

Choć kompozytowe sprężyny nie są nowym rozwiązaniem, ich historia pokazuje potencjał wynikający z redukcji masy. Już w 1982 r. SAE opisywało kompozytową sprężynę piórową Liteflex o masie 3,6 kg, która zastąpiła stalowy element ważący 18,6 kg. Przed wdrożeniem konstrukcja przeszła 58 mln cykli laboratoryjnych testów zmęczeniowych oraz ponad 5 mln km testów w pojazdach.

Technologia rozwijana na Politechnice Lubelskiej ma jednak własne źródło. Jej podstawy wywodzą się z prac prowadzonych wcześniej w Katedrze Inżynierii Materiałowej na potrzeby sektora lotniczego.

Cała technologia jest w pewien sposób unikalna, ponieważ wywodzi się z technologii, które dawniej na Politechnice Lubelskiej w Katedrze Inżynierii Materiałowej rozwijaliśmy dla sektora lotniczego. Okazało się, że właściwości są tak unikalne, a jakość mikrostruktury tych kompozytów jest na tyle powtarzalna i kontrolowana w procesie, że z powodzeniem możemy stosować te rozwiązania na masową skalę również w innych gałęziach przemysłu – mówi prof. Jakubczak.

Przeniesienie technologii opracowanej dla branży lotniczej do zastosowań w motoryzacji i przemyśle maszynowym jest jednym z elementów jej potencjału komercyjnego. Przy konstrukcjach kompozytowych kluczowe znaczenie ma bowiem nie tylko sam materiał, ale także powtarzalność jego właściwości i możliwość kontrolowania procesu wytwarzania.

 

Od laboratorium do przemysłu

Zespół Politechniki Lubelskiej zbudował już demonstratory i przeprowadził badania laboratoryjne. Kolejnym etapem są testy związane z konkretnymi zastosowaniami.

Technologia ma już za sobą pierwszą komercjalizację. Obecnie przygotowywana jest seria sprężyn dla kolejnego przedsiębiorstwa, które sprawdzi ich zachowanie w rzeczywistych warunkach pracy. Wyniki tych prób pokażą, czy przed szerszym wdrożeniem konieczne będą modyfikacje konstrukcji.

Rozwój technologii i przygotowanie jej do zastosowań rynkowych odbywa się w ramach programu PRIME Fundacji na rzecz Nauki Polskiej. Projekt „Sprężyny kompozytowe do zastosowań w pojazdach mechanicznych” otrzymał 313,9 tys. zł dofinansowania z programu Fundusze Europejskie dla Nowoczesnej Gospodarki.

Program PRIME nie służy finansowaniu kolejnych badań laboratoryjnych. Jego celem jest przede wszystkim wsparcie procesu komercjalizacji – m.in. przez analizę rynku, rozmowy z potencjalnymi odbiorcami oraz przygotowanie technologii do wdrożenia.

 

Najtrudniejszy etap – przekonać rynek

Dla zespołu największym wyzwaniem nie jest już samo opracowanie technologii, lecz przekonanie przedsiębiorstw do zastosowania zamiennika dla dobrze znanych i sprawdzonych sprężyn stalowych.

Wyzwaniem jest przekonanie rynku do tego rozwiązania, ponieważ sprężyny stalowe są znane bardzo długo, są skuteczne i działają efektywnie. Nie oznacza to jednak, że jest to jedyne rozwiązanie, które można zastosować i którego można spróbować. Potrzebujemy partnera biznesowego, z którym możemy wspólnie prowadzić badania B+R. Wymaga to zaangażowania zarówno z naszej strony, jak i ze strony partnera biznesowego. W warunkach bieżącej działalności gospodarczej trudno bowiem pozwolić sobie na zużywanie roboczogodzin i materiałów na eksperymentowanie – wskazuje prof. Jakubczak.

W przypadku sprężyn kompozytowych droga do wdrożenia nie kończy się więc na opracowaniu materiału i konstrukcji. Konieczne jest potwierdzenie parametrów w konkretnej aplikacji, sprawdzenie trwałości i niezawodności oraz wykazanie, że korzyści wynikające z redukcji masy i możliwości dostosowania charakterystyki pracy uzasadniają zmianę stosowanego od dziesięcioleci rozwiązania stalowego.

Dla przemysłu maszynowego może to być szczególnie interesujące w tych zastosowaniach, w których liczy się jednocześnie niska masa, odporność środowiskowa, tłumienie drgań oraz możliwość precyzyjnego dostosowania charakterystyki sprężyny do parametrów maszyny.