Raziskovanje in razvoj novih metamaterialov
Celične strukture so v zadnjem desetletju deležne velike pozornosti v inženirski in znanstveni skupnosti zaradi številnih posebnih lastnosti (absorpcija energije, učinkovito dušenje, visoka stopnja deformacije, vzdržljivost, visoka toplotna in zvočna izolativnost itd.) ob majhni teži.
Razumevanje in izboljšanje njihove sestave in obnašanja je za znanstveno-raziskovalni in komercialni sektor izjemnega pomena za povečanje njihove uporabnosti v lahkih inženirskih izdelkih naslednje generacije.
Razvoj najsodobnejših metamaterialov …
Sodobni inženirski (meta)materiali so zasnovani z uporabo integriranega računalniškega inženirstva materialov (RIM) in skladnim eksperimentalnim testiranjem. Posebne celične strukture so razvite, preizkušene in optimirane za določene namene najprej virtualno z naprednimi računalniškimi simulacijami. Šele nato so z uporabo sodobnih izdelovalnih tehnologij izdelani dejanski vzorci, katerih ustrezno obnašanje je potrjeno z omejenim številom preskusnih testov. RIM temelji na naprednem računalniško podprtem modeliranju fizikalnih lastnosti in poteka deformiranja materiala. Z raziskavami raznih oblik celičnih struktur lahko dosežemo njihove zelo posebne odzive, kot je na primer velika sprememba volumna pri obremenitvi. Posebni primer takšnega odziva je avksetičnost, kjer so vzdolžne in prečne specifične deformacije enoznačne.
družbi in okolju prinaša …
Ustvarjeno temeljno znanje je omogočilo kontinuiren razvoj celičnih struktur za različne namene uporabe, kot so: kompoziti- polnila za sendvič strukture ali votle profile (prilagoditev togosti, dušenja, lastnih vrednosti in lastnih frekvenc); blažilniki trkov: trk na širokem območju (večji paneli), podzvočni vpliv na lokaliziranem območju (zaščita pred projektilom); tekstilne strukture z izboljšanimi in novimi uporabnimi lastnostmi itd. Celične strukture z nadzorovano in optimizirano zasnovo celic se lahko uporabljajo tudi v medicini (npr. različni vsadki, nosilni elementi), ki lajšajo težave starajočega se prebivalstva in prispevajo k bolj zdravemu življenju. Zapolnitev votlih konstrukcijskih elementov vozil s celičnimi strukturami bistveno izboljša kontrolirano absorbiranje udarne energije v primeru trka vozil, kar prispeva k povečanju varnosti v prometu. Raziskave naprednih celičnih struktur so zato izjemnega pomena za družbo.
večjo varnost v prometu …
Rezultati raziskovalne skupine za napredne inženirske simulacije in eksperimentiranje s Fakultete za strojništvo omogočajo dostop do znanja in sodobnih orodij za razvoj novih izdelkov z naprednimi celičnimi strukturami. Karakterizacija različnih celičnih struktur in na tej osnovi razvita konstrukcijska priporočila za njihovo uporabo omogočata hiter in stroškovno učinkovit način ciljno usmerjenega oblikovanja in razvoja visokokakovostnih, inovativnih izdelkov v transportni industriji, medicini in ostalih inženirskih panogah.
in napredno medicinsko obravnavo.
Zaradi potreb po uporabi celičnih struktur v inženirskih, medicinskih in ostalih aplikacijah je zelo pomembno prepoznati in razviti njihovo obnašanje pod vplivom različnih obremenitev za izboljšanje zmogljivosti z vnaprej določeno geometrijo in mehanskim odzivom. Kombinacija različnih materialov in namensko razvite geometrije celičnih struktur vodi do edinstvene in izjemne kombinacije mehanskih in termičnih lastnosti, dosežene z natančnim načrtovanjem celične strukture. Nove napredne dodajalne tehnologije omogočajo izdelavo nove generacije celičnih metamaterialov s kompleksno notranjo celično strukturo, prilagojeno določeni inženirski aplikaciji z uporabo računalniških simulacij in topološke optimizacije.
V raziskovalni skupini ACE-X se že več kot 20 let ukvarjamo z razvojem in karakterizacijo mehanskih lastnosti novih celičnih metamaterialov v sodelovanju s številnimi mednarodnimi raziskovalnimi institucijami v Evropi, ZDA, na Japonskem, Kitajskem in Avstraliji. V okviru mednarodno porazdeljenih raziskav smo vodilni na področju Integriranega računalniškega inženirstva materialov (Integrated Computational Materials Engineering – ICME). ICME temelji na virtualnem razvoju in testiranju materialov pri njihovi izdelavi ali uporabi ob uporabi metod zahtevnega matematičnega modeliranja in kompleksnih računalniških simulacij izhodiščnih fizikalnih procesov. Nekatere tako razvite in komercialno zanimive celične strukture smo patentirali na Japonskem in v Evropi. prof. dr. ZORAN REN
Predstavitev raziskovalne skupine za napredne inženirske simulacije in eksperimentiranje
V raziskovalni skupini se znanstvenoraziskovalno primarno ukvarjajo s konceptnim razvojem novih metamaterialo v z izboljšanimi mehanskimi lastnostmi obnašanja, s poudarkom na visokih hitrostih obremenjevanja, ki so posledica udarnih obremenitev (eksplozija, trk teles). Osredotočajo se predvsem na razvoj metamaterialov s celično notranjo strukturo, katero načrtujejo z uporabo najsodobnejših metod matematičnega in numeričnega modeliranja, visokozmogljivega računanja in optimiranja na superračunalnikih. Vzorce novo zasnovanih virtualnih struktur metamaterialov nato izdelajo z uporabo najsodobnejših izdelovalnih tehnik s pomočjo domačih in tujih partnerskih institucij. Mehanske lastnosti izdelanih vzorcev novih metamaterialov nato karakteriziramo z uporabo naprednih eksperimentalnih metod, s čimer potrdijo ali ovržemo primernosti koncepta njihove zasnove za določen namen. Pri tem se osredotočajo na karakterizacijo geometrijskih značilnost notranje strukture zahtevnih celičnih struktur ter njihovega deformacijskega obnašanja na osnovi korelacije digitalnih posnetkov tomografov in hitrih kamer. Razvijajo tudi napredne numerične modele, orodja in postopke za računalniške analize napetostno-deformacijskih stanj mehanskih komponent, analize trka in udarne simulacije, porušitvene analize konstrukcij in konstrukcijskih spojev ter optimizacije komponent in sklopov.
Raziskovalna skupina upravlja z lastno razvitim Split-Hopkinson-Pressure-Bar in Direct Impact preizkuševališčem za eksperimentalno določanje mehanskih lastnosti materialov pri visokih in zelo visokih hitrostih obremenjevanja. Strokovno razvojno delo raziskovalne skupine je usmerjeno v uporabo zahtevnih računalniških simulacij za razvoj in izboljšave namenskih strojnih konstrukcij, ki so izpostavljene udarnim obremenitvam, primarno na področju zagotavljanja pasivne cestne varnosti z razvojem novih generacij cestnih varnostih elementov.
