Oddělení dezintegrace materiálů
Pracovníci
|
|
Hlavní témata výzkumu
Oddělení se zabývá především studiem procesů dezintegrace horninových materiálů a geomateriálů vysokorychlostním vodním paprskem. Okrajově je řešena rovněž problematika rozpojování hornin mechanickými nástroji, stanovení rozpojitelnosti a abrazivnosti hornin.
-
Intenzifikace účinků vysokorychlostního vodního paprsku
Výzkumné aktivity jsou zaměřeny na studium dynamických projevů chování pulsujícího proudu vody, definování zákonitostí procesu buzení a šíření vysokofrekvenčních tlakových pulsací v kapalině a jejich využití ke generování vysokorychlostních pulsujících vodních paprsků. Cílem výzkumu je poznání podstaty procesů generování a přenosu pulsací ve vysokotlakém systému, formování pulsujícího paprsku a jeho interakce s materiálem.
-
Abrazivní materiály pro abrazivní vodní paprsek
Tato oblast pokrývá výzkum v oblasti nových abrazivních materiálů (přírodních i uměle vytvořených). Výzkum je zaměřen na definování rozhodujících vlastností z hlediska maximalizace řezného výkonu a minimalizace opotřebení zaostřovací trysky a negativních dopadů na pracovní a životní prostředí. Cílem řešení je vývoj nové generace abrazivních materiálů.
-
Numerické modelování proudění
Hlavní aplikace tvoří proudění tekutiny v trysce pro technologii vodního paprsku. Pomocí software ANSYS jsou vytvářeny matematické modely, které umožňují sledovat chování kapaliny v trysce a na výstupu z ní. Následně je celá konstrukce optimalizována tak, aby daná soustava pracovala s co nejvyšší účinností. Provedené úpravy jsou pak ověřovány laboratorními experimenty. Znalosti a zkušenosti z modelování jsou využívány rovněž pro řešení úkolů proudění tekutin a pevnostních výpočtů ve spolupráci s průmyslem.
-
Studium topografie a kvality povrchů
Tato oblast zahrnuje studium vlivu technologických parametrů na topografii obrobené plochy u různých typů materiálů a hledání vazeb mezi silovým působením, vibracemi, kolísáním pracovního tlaku, akustickými emisemi a topografií obrobené plochy. Povrchy jsou analyzovány i s ohledem na aplikaci nových vrstev na tyto plochy.
-
Nové oblasti využití vysokorychlostního vodního paprsku
Výzkum v této oblasti je zaměřen především na obrábění abrazivním paprskem s cílem umožnit obrábění (soustružení, frézování, leštění, vrtání apod.) těžkoobrobitelných a neobrobitelných materiálů (kompozity, konstrukční keramika, vysokopevnostní slitiny, sklo, horniny apod.) a na využití vysokorychlostních vodních paprsků k ultrajemnému mletí a dezintegraci materiálů v oblasti produkce submikronových částic především geomateriálů.
Významné vědecké výsledky
- Generování pulsujícího vodního paprsku pro dezintegraci materiálu
Výzkum se zaměřil na využití vysokorychlostního vodního paprsku pro řezání či obecněji dezintegraci materiálu. Generováním dostatečně velkých tlakových pulsací tlakové kapaliny před výstupem z trysky je možno vytvářet kapalinový pulsující paprsek, který z trysky vystupuje jako kontinuální a do pulsů se formuje až v určité vzdálenosti od výstupu. Výhodou pulsujícího paprsku oproti kontinuálnímu je skutečnost, že při dopadu jednotlivých pulsů se na dopadové ploše cyklicky generuje impaktní tlak, který je několikanásobně vyšší než stagnační tlak generovaný dopadem kontinuálního paprsku za jinak stejných podmínek. Vlivem účinků pulsujícího paprsku navíc dochází k únavovému a smykovému namáhání materiálu cyklickým zatěžováním dopadové plochy a působením radiálního vysokorychlostního toku kapaliny po povrchu, což dále zvyšuje jeho účinnost v porovnání s paprskem kontinuálním. Pracovníci oddělení proto vyvinuli a intenzivně testovali originální metodu generování pulsujícího kapalinového paprsku, která spočívá ve vytváření akustických vln působením akustického budiče na tlakovou kapalinu a v jejich přenosu vysokotlakým systémem k trysce. Několikaletý výzkum v oblasti studia zákonitostí šíření akustických vln (či vysokofrekvenčních tlakových pulsací) v kapalině vysokotlakým systémem a jejich vlivu na generování a vlastnosti pulsujícího vodního paprsku byl korunován udělením českého patentu Způsob generování tlakových pulzací a zařízení pro provádění tohoto způsobu a uzavřením licenční smlouvy na výrobu jednoho akustického generátoru tlakových pulsací. Rovněž byla zahájena příprava spolupráce s průmyslovým partnerem, která by měla vést k uzavření výhradní licenční smlouvy na výrobu, využití a prodej generátorů pulsujícího paprsku podle výše uvedeného patentu.
Výsledek byl zařazen mezi nejvýznamnější výsledky badatelského a cíleného výzkumu Akademie věd v roce 2008 (viz Výroční zpráva o činnosti Akademie věd České republiky za rok 2008 ).
- Odstraňování degradovaných povrchových vrstev betonu vysokorychlostními vodními paprsky
Ve spolupráci s VUT Brno, Fakultou stavební a VŠB-TU Ostrava, Institutem fyziky byly připraveny laboratorní experimenty odstraňování degradovaných povrchových vrstev betonů pomocí vysokorychlostních kontinuálních a pulzujících vodních paprsků. Byly zhotoveny betonové bloky přesně definovaných vlastností, z nichž část byla uložena či podrobena cyklickému zatěžování v různých korozivních prostředích (působení mrazu, působení chemických rozmrazovacích látek, dlouhodobé působení chloridů, dlouhodobé působení síranů, dlouhodobé působení dusičnanů). Několik zkušebních vzorků bylo ponecháno jako referenční, nebyly tedy vystaveny žádnému korozivnímu prostředí. Pulzující paprsek dosáhl ve všech případech vyšší účinnosti v porovnání s odpovídajícím paprskem kontinuálním za stejných pracovních podmínek. Poměry mezi objemem odstraněným ze zkušebního vzorku betonu pulzujícím a kontinuálním paprskem se však značně lišil na základě druhu a stupně degradace vzorku a podle parametrů řezání. Zatímco kontinuální paprsky odstraní za daných zkušebních podmínek většinou pouze povrchovou část cementového kamene, pulzující paprsky pronikají do větších hloubek a odstraní cementový kámen až na kamenivo. I při nízkých tlacích vody jsou schopny selektivně odstranit degradovanou vrstvu betonu a zachovat „zdravý“ beton pro následnou aplikaci sanačních vrstev a malt. Větší drsnost betonového substrátu ošetřeného pulzujícími paprsky navíc přispívá k vyšší přídržnosti nově aplikovaných vrstev.
- Numerický model vysokotlakého systému s akustickým budičem
Byly zpracovány numerické modely vysokotlakého systému s integrovaným akustickým generátorem tlakových pulsací, aby bylo možno teoreticky studovat proces buzení a šíření tlakových pulsací tímto systémem. Výsledky numerické simulace procesu akustického generování tlakových pulsací a jejich šíření ve vybraných geometriích vysokotlakého systému ukázaly, že i relativně složité geometrie zahrnující jedno nebo dvě zalomení nebo relativně dlouhý kapalinový vlnovod, umožňují šíření tlakových pulsací od zdroje až k trysce. Velikost těchto pulsací před tryskou je možno významně ovlivnit vhodnou volbou rozměrů jednotlivých částí vysokotlakého systému a jeho naladěním do rezonance.
- Vizualizace pulsujícího paprsku
Byl vypracován speciální způsob vizualizace pulsujících vodních paprsků, založený na využití stroboskopického efektu. Frekvence záblesků stroboskopu je řízena frekvencí tlakových pulsací ve vysokotlakém systému generujícím pulsující paprsek. Pomocí vizualizace je studován vliv pracovních parametrů a konfigurace akustického generátoru vysokofrekvenčních tlakových pulsací na formování a morfologii pulsujícího paprsku.
- Abraziva pro technologie vysokorychlostního vodního paprsku
Abrazivní materiály byly zhodnoceny jak z hlediska mineralogického a petrologického, tak také z hlediska jejich chování v procesu generování abrazivního vodního paprsku a při působení na rozpojovaný materiál. Byly vypracovány metodiky pro hodnocení vstupních vlastností abrazivních koncentrátů, řezného výkonu abraziva na referenčních materiálech, opotřebení zaostřovací trubice, metodika pro popis a morfologickou analýzu zrna a řezných stop v makro- a mikroměřítku pomocí obrazové analýzy. Dalším původním výsledkem je stanovení biologické škodlivosti respirabilní frakce prachu, která vzniká dezintegrací přírodních a syntetických abraziv a minerálů skupiny křemene při aplikaci abrazivního vodního paprsku. Práce přispěla k formulování přetrvávajících problémů a nových témat pro další výzkum v této oblasti.
Technické vybavení
- Vysokotlaké čerpadlo na bázi základní jednotky Hammelmann s multiplikátorem tlaku Flow Systems (maximální pracovní tlak 400 MPa, maximální průtok 3,5 l/min) včetně příslušenství (filtrační jednotka, vysokotlaké rozvody a podobně)
- Vysokotlaké čerpadlo PTV 37-60 na bázi multiplikátoru tlaku (maximální pracovní tlak 415 MPa, maximální průtok 3,68 l/min) včetně příslušenství
- Vysokotlaké plunžrové čerpadlo KUNZ Hranice (maximální pracovní tlak 120 MPa, maximální průtok 45 l/min)
- X-Y stůl Nessap 1000-V 1000x800 mm pro řezání vysokorychlostním vodním a abrazivním paprskem
- X-Y CNC stůl WJ2020-1Z-D-PJ 2000 x 2000 mm s naklápěcí diamantovou řeznou hlavou pro řezání vysokorychlostním vodním a abrazivním paprskem
- Třísložkový dynamometr Kistler včetně nábojového zesilovače
- 4 vysoce citlivé piezoelektrické vysokotlaké snímače Kistler včetně nábojových zesilovačů
- Patentovaný snímač pro měření stagnační síly vysokorychlostních paprsků (patent č. PV 7884-1988 )
- Akustický generátor pulzujícího paprsku 20 kHz
- Akustický generátor pulzujícího paprsku 40 kHz
- Stroboskopické zařízení pro vizualizaci pulsujícího paprsku
- Měřicí stanice na bázi notebooku vybaveného vícekanálovou multifunkční měřicí kartou National Instruments (16-bit) a softwarem NI LabVIEW FDS
- Zařízení pro měření abrazivnosti hornin podle ON 44 1121
- Laserový analyzátor částic analysette 22 NanoTec wet - Fritsch
- Pracovní stanice FSC CELSIUS R650: 2 procesory Quad-Core Xeon X5460 3.16 GHz, RAM 32 GB, HDD 2x 500 GB
- CFD software ANSYS k simulaci a modelování vysokorychlostního toku kapaliny
Projekty řešené v posledních letech
- Mezinárodní projekt CNR Italy – AV ČR Cutting and disintegration of hard rocks with water jet assistance. Special instruments, approaches and evaluation of cutting and disintegration performance (2004-2006), CSGM CNR, Cagliari, Itálie.
- Mezinárodní projekt CNR Italy – AV ČR Rock cutting with assistance of high-energy water jet. Preparation of special methods of measurement and evaluation of cutting performance (2001-2003), CSGM CNR, Cagliari, Itálie.
- Projekt bilaterální spolupráce mezi AVČR a PAN Polsko Application of advanced research methods to description of rocks and their discontinuities (Instytut Mechaniky Gorotworu PAN Krakow, Polsko, 2006-2008).
- Mezinárodní projekt Česko-Slovenské vědecko-technické spolupráce v rámci programu Kontakt č. 169 Development of ultrasonic generator based on piezoelectric transducer for modulation of high-speed water jet (2004-2005), Ecoson s.r.o. Nové Mesto nad Váhom, Slovensko.
- Mezinárodní projekt Česko-Slovenské vědecko-technické spolupráce v rámci programu Kontakt č. 206 Development of ultrasonic nozzle based on hydrodynamic generator for generation of modulated high-speed water jets (2002-2003), Ecoson s.r.o. Nové Mesto nad Váhom, Slovensko.
- Grantový projekt GA ČR č. 105/03/0183 Vývoj nové technologie pro těžbu a zpracování materiálů pro ušlechtilou kamenickou výrobu, hodnocen jako vynikající.
- Grantový projekt GA AVČR č. 1QS300860501 Nová technologie pro čištění a odstraňování povrchových vrstev a sanace betonových konstrukcí, hodnocen jako vynikající.
- Grantový projekt GA ČR č. 105/00/0235 Nucená modulace vodního paprsku ultrazvukem, hodnocen jako vynikající.
- Grantový projekt GA AVČR č. A2086001 Hydrodynamický generátor pulzních paprsků.
- Mezinárodní projekt INCO Copernicus č. IC 15 CT98 0821 Abrasive water jet cutting, a clean technology. (9 partnerů z Německa, Itále, Polska, Maďarska, Rumunska a Slovinska, 1999-2002).
Vybrané publikace
- Foldyna, J., Heiniger, K. Mettler, S., Sitek, L., Ščučka, J. Enhancing of Water Jet Effects by Pulsations. Manufacturing Engineering 4/2007,. pp. 30-33, ISSN 1335-7972.
- Nowakowski, A., Młynarczuk, M., Sitek, L., Foldyna, J. Wytrzymałość skały na rozciąganie – porównanie wyników testu bezpośredniego rozciągania i testu brazylijskiego (Tensile strength of rock – comparison of results of direct tension test and Brazilian test). Sborník vědeckých prací VŠB-TU č. 2, roč. IX, řada stavební, VŠB-TU 2009, pp. 201 – 217, ISBN 978-80-248-2119-1, ISSN 1213-1962.
- Foldyna, J. Sitek, L. Ščučka, J. Martinec, P. Valíček, J. Páleníková, K. Effects of pulsating water jet impact on aluminium surface. Journal of material processing technology Vol. 209, Iss. 20 (2009), pp. 6174–6180. Elsevier, 2009. ISSN 0924-0136.
- Bortolussi, A., Foldyna, J., Ciccu, R., Ščučka, J., Martinec, P., Sitek, L. Ornamental stone surface treatment by pulsating water jets. 9th Pacific Rim Int. Conf. on Water Jetting Technology, 20. - 23. 11. 2009, Koriyama, Japonsko, IAP,Ltd. 2009, pp. 189-193, ISBN 4-902590-14-8.
- Sitek, L., Foldyna, J., Ščučka, J., Martinec, P., Bodnárová, L., Hela, R. Utilization of Potential of Pulsating Jets for Removal of Concrete Layers. 9th Pacific Rim Int. Conf. on Water Jetting Technology, 20. - 23. 11. 2009, Koriyama, Japonsko, IAP,Ltd. 2009, pp. 181-187, ISBN 4-902590-14-8.
- Ščučka, J., Foldyna, J., Sitek, L., Martinec, P., Valíček. J. Testing of fan jet nozzles for pulsating jets generation. 9th Pacific Rim Int. Conf. on Water Jetting Technology, 20. - 23. 11. 2009, Koriyama, Japonsko, IAP, Ltd. 2009, pp. 195-200, ISBN 4-902590-14-8.
- Foldyna, J. Research and development of pulsating water jets. In Pacific Rim International Conference on Water Jetting Technology /9./ Proceedings. Koriyama: Water Jet Technology Society of Japan, 2009. S. 171-179. ISBN 4-902590-14-8.
- Hlaváček, P., Valíček, J., Hloch, S., Gregr, M., Foldyna, J., Kozak, D., Sitek, L., Kušnerová, M., Zeleňák, M. Measurement of Fine Grain Copper Surface Texture Created by Abrasive Water Jet Cutting. Strojarstvo 51(4), 2009, 273-279, ISSN 0562-1887.