Politechnika Lubelska stworzyła sprężyny z kompozytów lżejsze o 70% od stalowych

Pełny tekst

– 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 proc. w porównaniu do stalowych odpowiedników tych sprężyn. Zachowujemy właściwości oraz możliwość ich zmiany, od redukcji sztywności po jej wzrost, od redukcji maksymalnego odkształcenia po jego wzrost – mówi agencji Newseria dr hab. inż. Patryk Jakubczak, profesor Politechniki Lubelskiej.

Zespół z Politechniki Lubelskiej opracował sprężynę wykonaną w całości z kompozytów polimerowych wzmacnianych włóknami węglowymi, szklanymi lub aramidowymi. Nie jest to jednak odpowiednik klasycznej sprężyny śrubowej czy piórowej wykonany z innego materiału. Konstrukcja ma inny kształt i wykorzystuje właściwości kompozytu poprzez pracę w płaszczyźnie i kontrolowane wyboczenie.

Dzięki odpowiedniemu ułożeniu warstw i włókien kompozytu można już na etapie projektowania określić, jak sprężyna będzie pracować: jakiej siły będzie wymagać jej ugięcie i jak bardzo będzie mogła się odkształcić. Można też kształtować zależność między siłą a odkształceniem, m.in. uzyskując progresywną charakterystykę pracy. Pozwala to dostosować parametry sprężyny do konkretnego zastosowania. Kompozyt jest odporny na korozję, ma właściwości izolacyjne i jest obojętny na działanie pola magnetycznego.

– 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 – wskazuje dr hab. inż. Patryk Jakubczak. – W toku prac okazało się, że sprężyny kompozytowe mogą znaleźć duże zastosowanie w przemyśle maszynowym, szczególnie w obszarze maszyn wibrujących, takich jak dozowniki, przenośniki czy stoły wibracyjne.

Potencjalnym obszarem zastosowania są również wózki inwalidzkie, w tym elektryczne, w których redukcja masy musi iść w parze z zachowaniem parametrów odpowiadających za komfort użytkowania. W maszynach wibracyjnych niska masa kompozytu oznacza z kolei mniejszą bezwładność sprężyny. Materiał ma też dobre właściwości tłumienia drgań.

Prace nad zastępowaniem stalowych sprężyn kompozytowymi są prowadzone od kilkudziesięciu lat. Już w 1982 roku 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 w laboratoryjnych testach zmęczeniowych oraz ponad 5 mln km testów w pojazdach.

Sprężyny kompozytowe są już dostępne na rynku, m.in. w Stanach Zjednoczonych i Niemczech. Jak wskazuje naukowiec, w dostępnych tam rozwiązaniach konkurencyjnych stosowany jest zamknięty katalog sprężyn o zdefiniowanych parametrach, do których trzeba dostosować maszynę. Zespół z Politechniki Lubelskiej chce odwrócić ten proces – projektować właściwości sprężyny pod wymagania konkretnego urządzenia.

– Nasza innowacja w tym obszarze polega na możliwości kształtowania tych właściwości zgodnie z wymaganiami i oczekiwaniami konstruktorów maszyn, ponieważ każda maszyna jest zastosowana do konkretnej linii produkcyjnej, która ma swoje unikalne cechy, takie jak masa, wymagana częstotliwość, liczba podpór czy ograniczenia geometrii. My możemy kształtować te właściwości i dostarczać takie rozwiązanie, które będzie maksymalnie efektywne w danej aplikacji – podkreśla profesor Politechniki Lubelskiej.

Zespół zbudował już demonstratory i przetestował je w warunkach laboratoryjnych. Teraz prowadzi badania pod kątem konkretnych zastosowań. Nie w każdym urządzeniu stalową sprężynę można bezpośrednio zastąpić kompozytową. W niektórych przypadkach wymaga to dodatkowych obliczeń oraz zmian w sposobie jej montażu i mocowania.

Łatwiej jest w przypadku urządzeń projektowanych od podstaw. Wtedy konstruktorzy mogą od razu uwzględnić parametry i sposób działania kompozytowej sprężyny. Zespół ma już za sobą pierwszą komercjalizację technologii. Przygotowuje też serię sprężyn dla kolejnej firmy, która przetestuje je w rzeczywistych warunkach. Od wyników prób zależy, czy przed kolejnymi wdrożeniami potrzebne będą zmiany w konstrukcji.

– 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 naukowiec.

Innowacyjność projektu polega na przeniesieniu technologii stosowanej dotąd w branżach wymagających najwyższych standardów jakości i bezpieczeństwa – takich jak lotnictwo – do szerszego kontekstu przemysłowego i użytkowego. Zespół rozwija ścieżkę komercjalizacji technologii 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. PRIME nie finansuje kolejnych badań laboratoryjnych, lecz pomaga naukowcom m.in. w badaniu rynku, rozmowach z potencjalnymi odbiorcami i przygotowaniu technologii do komercjalizacji.

– Wyzwaniem jest przekonanie rynku do tego rozwiązania, ponieważ sprężyny stalowe są znane bardzo długo, są skuteczne, działają efektywnie, ale nie jest powiedziane, że to jest już jedyne rozwiązanie, które można zastosować i którego można spróbować. Potrzebujemy partnera biznesowego, któremu nie możemy nic zagwarantować, ale możemy wspólnie prowadzić badania B+R. Oczywiście wymaga to zaangażowania z naszej strony, ale także ze strony partnera biznesowego i trudno jest w toku bieżącej działalności gospodarczej pozwolić sobie na zużywanie roboczogodzin, materiałów, na eksperymentowanie – wskazuje prof. Patryk Jakubczak.

Mówi: dr hab. inż. Patryk Jakubczak, profesor Politechniki Lubelskiej