Oddělení dezintegrace materiálů

Vedoucí
Ing. Josef Foldyna, CSc.
Tým
Ing. Vladimír Foldyna
Bc. Lucie Gurková
Ing. Petr Hlaváček, Ph.D.
Prof. Ing. Sergej Hloch, Ph.D.
Ing. Jiří Klich, Ph.D.
Ing. Dagmar Klichová
Ing. Dominika Lehocká, Ph.D.
Daria Nováková
Luděk Pivoda
Ing. Zdeněk Říha, Ph.D.
Ing. Libor Sitek, Ph.D.
Ing. Michal Zeleňák, Ph.D.

V roce 1985 byla v rámci Oddělení hornické geomechaniky založena Laboratoř rozpojování hornin. Její hlavní náplní bylo studium procesů spojených s rozpojováním horninových a podobných materiálů pomocí mechanických nástrojů a vysokorychlost-ního vodního paprsku. Roku 1992 přešla laboratoř s mírně změněným názvem (Laboratoř porušování hornin) pod nově vzniklé Středisko Výzkumu materiálů Země. Vzhledem ke specifickým výzkumným úkolům řešeným pracovníky laboratoře vzniká v roce 2006 samostatné Oddělení dezintegrace materiálů, zaměřené již výhradně na studium nových progresivních technologií při dezintegraci materiálů.

Oddělení postupně navázalo spolupráci s tuzemskými i zahraničními vědeckými pracovišti (např. VUT Brno, VŠB-TU Ostrava, University of Cagliari, Fachhochschule Nordwestschweiz, Politechnika Koszalinska, AGH Krakow) a průmyslovými partnery (např. PTV, NET, Hammelmann, Ecoson).

Významným impulsem pro další rozvoj oddělení se stal projekt OP VaVpI Institut čistých technologií těžby a užití energetických surovin, na jehož řešení se od roku 2011 oddělení značnou měrou podílí.

Hlavní témata výzkumu

Oddělení se zabývá především studiem procesů dezintegrace materiálů a geomateriálů vysokorychlostním vodním paprskem.

Intenzifikace účinků vysokorychlostního vodního paprsku. Výzkumné aktivity jsou zaměřeny na studium dynamických projevů chování pulzujícího proudu vody, definování zákonitostí procesu buzení a šíření vysokofrekvenčních tlakových pulzací v kapalině a jejich využití ke generování vysokorychlostních pulzujících vodních paprsků.

Složité dynamické jevy probíhající při buzení a šíření vysokofrekvenčních tlakových pulzací v kapalině jsou studovány jak teoreticky pomocí numerické simulace a metod CFD (Computational Fluid Dynamics), tak experimentálně přímým měřením frekvence a amplitudy dynamického tlaku ve vysokotlakém systému a stagnační síly generované dopadem pulzujícího paprsku.

Formování a proudění vysokorychlostních pulzujících vodních paprsků po výstupu z trysky je studováno pomocí metody PIV (Particle Image Velocimetry) a stínovou metodou. Analýza obrazu a optické metody jsou využívány rovněž ke studiu interakce pulzujícího paprsku s rozpojovaným materiálem a vlastností povrchů vytvořených pulzujícími paprsky. Řezné a dezintegrační účinky pulzujících vodních paprsků jsou testovány na rozmanitých materiálech s cílem porovnat jejich výkonnost s paprsky kontinuálními, případně s jinými technologiemi.

Cílem výzkumu je poznání podstaty procesů generování a přenosu pulzací ve vysokotlakém systému, formování pulzujícího 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 studium vlastností a chování abrazivních částic v procesu generování abrazivních vodních paprsků a řezání materiálů, součástí je rovněž řešení otázek spojených s přípravou, testováním a recyklací abraziv.

Naší snahou je definovat rozhodující vlastnosti z hlediska maximalizace řezného výkonu a minimalizace opotřebení zaostřovací trysky, ekonomických nákladů a negativních dopadů na pracovní a životní prostředí. Cílem řešení je vývoj nové generace abrazivních materiálů.

Numerické modelování proudění. Proudění tekutiny v trysce sloužící ke generování vodního paprsku představuje jednu z hlavních aplikací numerické simulace. Vytvořené modely umožňují sledovat chování kapaliny v trysce a na výstupu z ní. Na základě získaných poznatků je celá konstrukce dále optimalizována tak, aby daná soustava pracovala s co nejvyšší účinností. Provedené úpravy jsou ověřovány laboratorními experimenty. Pro výpočty proudění tekutin a pevnostní analýzy daných konstrukčních dílů a sestav je používán software ANSYS.

Software ANSYS je využíván rovněž pro řešení úkolů ve spolupráci s průmyslem. Nabízíme pomoc v široké oblasti proudění tekutin a v oblasti pevnostních výpočtů. Jsme schopni se podílet na řešení různých problémů jako například proudění stlačitelných plynů nebo kapalin, směsné a vícefázové proudění, spalování, výměna tepla, atd.

Studium topografie a kvality povrchů. V této oblasti je výzkum zaměřen na studium vlivu technologických parametrů na topografii (drsnost, vlnitost, apod.) povrchu. Jsou rovněž studovány možnosti ovlivnění vlastností povrchových vrstev materiálů tradičními způsoby obrábění, aplikací kapalinového paprsku apod. (ošetření betonových povrchů pro následnou sanaci, příprava vhodného kotvícího profilu, zpevňování povrchových vrstev, odstraňování zbytkových napětí, užitné a estetické vlastnosti povrchů atd.).

Kromě toho jsou zkoumány vlivy parametrů technologie řezání na topografii povrchu s cílem eliminovat negativní vlivy technologie na vlastnosti obrobku. Jsou hledány vazby mezi silovým působením řezné technologie na materiál, vibracemi, kolísáním pracovního tlaku (u vodních paprsků), akustickými emisemi atd. a topografií obrobené plochy.

Nové oblasti využití vysokorychlostního vodního paprsku. Výzkum v této oblasti je soustředěn 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.).

Do této oblasti spadá i přesné obrábění abrazivním vodním paprskem pro dosažení optimální tvarové a rozměrové přesnosti součásti bez nutnosti dalšího obrábění. Zvýšení přesnosti finálních výrobků lze docílit přesnějším polohovacím zařízením, pomocí 3D naklápěcí hlavice, která eliminuje úkos, vhodným výběrem trysek, abraziva apod.

Dále jsou studovány možnosti přípravy minerálních a keramických prekurzorů pro přípravu nanočástic a nosičů nanočástic se specifickými vlastnostmi pomocí dezintegrace vysokorychlostním vodním paprskem a využití vodních paprsků k ultrajemnému mletí a dezintegraci materiálů v oblasti produkce mikronových a submikronových částic.

Vybrané vědecké a aplikační výsledky

Generování pulzujícího vodního paprsku pro dezintegraci materiálu. Generováním dostatečně velkých tlakových pulzací tlakové kapaliny před výstupem z trysky je možno vytvářet kapalinový pulzující paprsek, který z trysky vystupuje jako kontinuální a do pulzů se formuje až v určité vzdálenosti od výstupu. Výhodou pulzujícího paprsku oproti kontinuálnímu je skutečnost, že při dopadu jednotlivých pulzů 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 pulzujícího 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.

Proto byl výzkum zaměřen na uvedenou oblast a pracovníci oddělení vyvinuli a intenzivně testovali originální metodu generování pulzujícího 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 pulzací) v kapalině vysokotlakým systémem a jejich vlivu na generování a vlastnosti pulzujícího vodního paprsku byl korunován udělením českého a následně také evropského a amerického patentu.

Výsledek byl publikován mezi vybranými výsledky badatelského a cíleného výzkumu ve Výroční zprávě o činnosti AV ČR za rok 2008.

Akustický generátor tlakových pulzací. Na výše uvedený výsledek bylo navázáno vývojem a výrobou akustického generátoru tlakových pulzací pro pracovní tlaky až 150 MPa s frekvencemi buzení 20 a 40 kHz. S využitím metod CFD a FEM byl optimalizován vnitřní profil generátoru s ohledem na maximální zesílení tlakových pulzací v kapalině před jejím výtokem z trysky a navržen nový tvar příruby ultrazvukové sonotrody, který redukuje nežádoucí přenos ultrazvukových vibrací do těla generátoru.

Dosažené výsledky vedly k podepsání exkluzivní licenční smlouvy o jejich využití s renomovaným německým výrobcem vysokotlakých zařízení. Výsledek byl také publikován mezi vybranými výsledky badatelského a cíleného výzkumu ve Výroční zprávě o činnosti AV ČR za rok 2010.

Odstraňování degradovaných povrchových vrstev betonu vodními paprsky. Ve spolupráci s VUT Brno a VŠB-TU Ostrava 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 pulzací, aby bylo možno teoreticky studovat proces buzení a šíření tlakových pulzací tímto systémem. Výsledky numerické simulace procesu akustického generování tlakových pulzací 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 pulzací od zdroje až k trysce. Velikost těchto pulzací před tryskou je možno významně ovlivnit vhodnou volbou rozměrů jednotlivých částí vysokotlakého systému a jeho naladěním do rezonance.

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.

Aplikační výsledky. Dosažené výsledky a získané zkušenosti byly ve spolupráci s průmyslovými partnery využity v celé řadě aplikací technologie vysokorychlostních vodních paprsků. Byly prováděny zkoušky řezání a obrábění celé škály materiálů, již zmíněného odstraňování vrstev při sanacích betonových konstrukcí, či odstraňování a úpravy povrchových vrstev materiálů. Mezi speciální aplikace patří například návrh technologie dezintegrace tuhého paliva rakety SS-23 pomocí vysokorychlostních vodních paprsků nebo návrh bezodpalové likvidace náloží umístěných ve vrtech pro seismický průzkum, opět s využitím vodních paprsků.

Na základě udělených patentů byla s renomovaným německým výrobcem vysokotlakých zařízení podepsána exkluzivní licenční smlouva zaměřená na využití patentovaného řešení generování tlakových pulzací ve vysokotlakém systému pro generování pulzujících vodních paprsků.

Další informace

Projekty řešené v posledních letech ( PDF, 206 kB )
Vybrané publikace ( PDF, 208 kB )
Patenty ( PDF, 201 kB )