PRZETWÓRSTWO TWORZYW Czasopismo naukowo-techniczne. Ukazuje się od 1994 r. Czasopismo publikuje artykuły recenzowane. Czasopismo punktowane, notowane na ogólnokrajowej liście B MNiSzW. Wersja drukowana jest podstawową (referencyjną) wersją czasopisma. Skrót nazwy czasopisma w j. polskim PT Rada Programowa: Przewodniczący: prof. Robert Sikora Politechnika Lubelska, Polska/Poland Członkowie: prof. Marek Bieliński Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy, Bydgoszcz, Polska/Poland prof. Elżbieta Bociąga, Politechnika Częstochowska, Polska/Poland dr Krzysztof Bortel, Instytut Inżynierii Materiałów Polimerowych i Barwników, O/Gliwice, Polska/Poland prof. Michael Bratychak, Lviv Polytechnic National University, Lwów, Ukraina/Ukraine prof. Jarosław Diakun, Politechnika Koszalińska, Polska/Poland prof. Józef Flizikowski, Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy, Bydgoszcz, Polska/Poland prof. József Gál, University of Szeged, Hungary/Węgry prof. František Greškovič, Technical University of Kosice, Słowacja/Slovakia dr Przemysław Hruszka, firma Wavin-Metalplast, Buk, Polska/Poland mgr Janusz Jastrzębski Basell Orlen Polyolefins Płock, Polska/Poland Simone Maccagnan, Gimac Castronno, Włochy/Italy prof. Antonio Torres Marques, Universidade do Porto, Porto, Portugalia/Portugal prof. Janusz W. Sikora, Politechnika Lubelska, Polska/Poland dr Joachim Stasiek, Inżynierii Materiałów Polimerowych i Barwników, Toruń, Polska/Poland prof. Tomasz Sterzyński, Politechnika Poznańska, Polska/Poland prof. Oleg Stoianov, Kazan National Research Technological University, Kazań, Rosja/Russia prof. Oleh Suberlyak, Lviv Polytechnic National University, Lwów, Ukraina/Ukraine prof. Gabriel Wróbel, Politechnika Śląska, Gliwice, Polska/Poland prof. Gennady E. Zaikov, Russian Academy of Sciences, Moskwa, Rosja/Russia prof. Marian Żenkiewicz, Uniwersytet Kazimierza Wielkiego, Bydgoszcz, Polska/Poland PRZETWÓRSTWO TWORZYW POLYMER PROCESSING CZASOPISMO NAUKOWO-TECHNICZNE POŚWIĘCONE PROBLEMOM PRZETWÓRSTWA TWORZYW POLIMEROWYCH Wydawca: Instytut Inżynierii Materiałów Polimerowych i Barwników w Toruniu 87-100 Toruń, ul. M. Skłodowskiej-Curie 55 Tel./fax: 56 / 650-03-33 Kontakt: e-mail: Sekretariat@impib.pl; Mirosława Lubańska Redaguje zespół: Redaktor Naczelny: mgr inż. Henryk Tomanek Z-ca Red. Naczelnego: mgr inż. Błażej Chmielnicki Redaktorzy do spraw językowych: Jacek Leszczyński, IMPiB Toruń, j.leszczynski@impib.pl, (j. polski) Willem Jacobus Lowne-Hughes, SJ Quaderno wjlownehughes@yahoo.co.uk (j. angielski) Redaktor tematyczny: Dr Krzysztof Bortel, IMPiB OFiT Gliwice, k.bortel@impib.pl Kolportaż: Bogumiła Klimczyk Adres Redakcji: Instytut Inżynierii Materiałów Polimerowych i Barwników w Toruniu, Oddział Farb i Tworzyw w Gliwicach 44-101 Gliwice, ul. Chorzowska 50 A tel.: 32/231-90-41, fax: 32/231-26-74 e-mail: h.tomanek@impib.pl, gp@impib.pl Nr 1 (157) / 20 STYCZEŃ LUTY 2014 R.
2 Spis treœci OD REDAKCJI 3 Agnieszka BONDYRA, Ma³gorzata CHWA, Przemys³aw D. PASTUSZAK Perspektywy zastosowañ laserowych skanerów pomiarowych do analizy deformacji struktur kompozytowych 4 B³a ej CHMIELNICKI, Jaros³aw KONIECZNY W³aœciwoœci kompozytów WPC o osnowie polietylenowej nape³nionych m¹czk¹ z ³upin orzechów 12 Andrzej GRZ DZIELA Kad³uby laminatowe dla okrêtów zwalczania min problemy technologiczne 21 Mariola JASTRZÊBSKA, Wojciech JURCZAK W³aœciwoœci mechaniczne nanokompozytów 28 Piotr KRYSIAK, Aleksander B ACHUT, Tomasz CZAPLIÑSKI, Jerzy KALETA Wp³yw rodzaju w³ókna oraz liczby warstw na wytrzyma³oœæ wielowarstwowej rury kompozytowej 34 Marcin MA EK, Pawe³ WIŒNIEWSKI, Hubert MATYSIAK, Ryszard SITEK, Krzysztof Jan KURZYD OWSKI Wp³yw dodatku glikolu poli(etylenowego) na w³aœciwoœci mas lejnych do wytwarzania form ceramicznych na osnowie SiC do zastosowañ w odlewnictwie precyzyjnym czêœci turbin lotniczych 40 Beata MIKSA, Marek J. POTRZEBOWSKI Analiza syntetycznych polimerów biodegradowalnych metod¹ spekrometrii mas z udzia³em matrycy (MALDI-TOF) kontra pomiary za pomoc¹ wzmocnienia laserowej desorpcji/jonizacji (ELDI-TOF) z wykorzystaniem parylenu 50 Marcin NABIA EK W³aœciwoœci magnetyczne i mikrostruktura kompozytów wytworzonych na bazie amorficznego stopu Fe 60 Co 10 Y 8 Zr 1 B 20 spajanego ywic¹ epoksydow¹ 56 Ewa OLEWNIK-KRUSZKOWSKA, Patrycja KASPERSKA, Krzysztof KOWALSKI, Józef RICHERT, Jolanta KOWALONEK Wp³yw promieniowania UV na w³aœciwoœci powierzchniowe polilaktydu nape³nianego grafitem 62 Przemys³aw D. PASTUSZAK, Ma³gorzata CHWA, Aleksander MUC, Jaros³aw BIENIAŒ Identyfikacja defektów w cylindrycznych laminatach szklanych przy wykorzystaniu aktywnej termografii 68 Pawe³ PIETRUSIEWICZ, Marcin NABIA EK, Marcin DOŒPIA, Anna BUKOWSKA Wp³yw wielkoœci frakcji proszku amorficznego Fe 60 Co 10 Y 8 W 1 B 20 na w³aœciwoœci magnetyczne i mechaniczne kompozytu w osnowie polimerowej 76 Maciej ROJEK, Ma³gorzata SZYMICZEK Ocena wp³ywu dodatku regranulatu na w³asnoœci opakowaniowej folii pêcherzykowej 82 Ma³gorzata SIERANT, Beata MIKSA Fluorescencyjne nanolipopolimersomy jako bezpieczne kontrasty w diagnostyce medycznej 88 Adam STAWIARSKI, Aleksander MUC, Ma³gorzata CHWA Metoda propagacji fal w analizie kompozytowych paneli cylindrycznych z delaminacj¹ 92 Karol SZL ZAK, Adrian CHLANDA, Janusz RÊBIŒ, Joanna IDASZEK, aneta KUBLIK, Jakub JAROSZEWICZ, Micha³ J. WONIAK, Wojciech ŒWIÊSZKOWSKI Obrazowanie trójwymiarowych rusztowañ kostnych zasiedlonych komórkami macierzystymi 100 Gabriel WRÓBEL, Ma³gorzata SZYMICZEK, Maciej ROJEK Charakterystyki cieplne w diagnostyce zmian starzeniowo-zmêczeniowych pow³ok kompozytowych 110 Spis rocznika 2013 Przetwórstwo Tworzyw (Tom 19) 116 Lista recenzentów w roku 2013 122 Wskazówki dla Autorów 123
3 Od Redakcji Szanowni Czytelnicy, Rozpoczynaj¹cy siê 2014 rok to dwudziesty rok wydawania naszego czasopisma; mówi¹c dok³adniej to pocz¹tek dwudziestego roku istnienia Przetwórstwa Tworzyw, bowiem jego pierwszy numer ukaza³ siê w listopadzie 1994 r. (czasopismo by³o przez pierwszych kilka lat miesiêcznikiem). Wydawanie czasopisma w ówczesnym Instytucie Przemys³u Tworzyw i Farb w Gliwicach rozpocz¹³ zespó³, wprawdzie pe³en entuzjazmu i zapa³u, ale bez jakiegokolwiek doœwiadczenia wydawniczego czy redakcyjnego. Ów okres radosnej amatorszczyzny trwa³ kilkanaœcie pierwszych miesiêcy nim pod kierownictwem prof. dr hab. in. Roberta Sikory z Politechniki Lubelskiej, który doprowadzi³ do powo³ania Rady Programowej i obj¹³ jej kierownictwo, podjêta zosta³a praca nad podniesieniem merytorycznego i edytorskiego poziomu czasopisma. To dziêki osobie Przewodnicz¹cego Rady Programowej oraz dziêki osobom, które zechcia³y w pracach Rady uczestniczyæ, nasze czasopismo naukowo-techniczne ma dziœ swoje miejsce w œrodowisku przetwórców tworzyw. Przetwórstwo Tworzyw od lat notowane jest a prowadzonej przez MNiSzW krajowej liœcie czasopism naukowych. Przejawem obecnoœci Przetwórstwa Tworzyw w œrodowisku in ynierów, badaczy i innych specjalistów zainteresowanych przetwórstwem tworzyw polimerowych jest m.in. wspó³praca z czo³owymi oœrodkami badawczymi w kraju. Objawia siê ona np. faktem zamieszczania na ³amach czasopisma publikacji naukowo-technicznych, równie tych przedstawianych potem na niektórych konferencjach. W bie ¹cym, pierwszym tegorocznym numerze s¹ to artyku³y konferencji naukowo- -technicznej Diagnostyka organizowanej przez œrodowisko pracowników naukowych przetwórców z Politechniki Œl¹skiej w Gliwicach. yczymy mi³ej i po ytecznej lektury. Redakcja PT
4 Agnieszka BONDYRA, Ma³gorzata CHWA, Przemys³aw D. PASTUSZAK Agnieszka BONDYRA, 1*, Ma³gorzataCHWA, 1, Przemys³awD. D. PASTUSZAK 1 1 Institute of Machine Design, Cracow University of Technology, Poland * Corresponding author: abondyra@mech.pk.edu.pl Perspektywy zastosowañ laserowych skanerów pomiarowych do analizy deformacji struktur kompozytowych Streszczenie. Prezentowana praca zwi¹zana jest z wykorzystania laserowych skanerów pomiarowych w odniesieniu do struktur kompozytowych. W pracy omówiono dzia³anie skanerów i techniki skanowania oraz przedstawiono podstawowe zastosowania skaningu w analizie deformacji struktur kompozytowych tj. szybkie prototypowanie, naprawa uszkodzeñ, modelowanie MES oraz pomiar geometrii. Analiza deformacji struktur kompozytowych przy u yciu skanowania w odniesieniu do szybkiego prototypowania umo liwia optymalizacjê i przeprojektowanie konstrukcji. Ponadto pozwala na wydajniejsze przeprowadzenie naprawy uszkodzeñ i recyklingu. Daje tak e mo liwoœæ tworzenia i walidacji modeli MES poprzez porównanie deformacji uzyskanych z badañ eksperymentalnych i obliczeñ numerycznych. Jednak e najwiêksze mo liwoœci skaningu laserowego w analizie deformacji zwi¹zane s¹ z pomiarem wielkoœci geometrycznych. W pracy dokonano wstêpnej analizy deformacji kompozytowej pow³oki cylindrycznej przy u yciu skaningu laserowego celem zobrazowania mo liwoœci wykorzystania danych pomiarowych. PROSPECTS OF LASER MEASURING SCANNER APPLICATIONS FOR THE ANALY- SIS OF THE DEFORMATION OF COMPOSITE STRUCTURES Summary. The presented paper is dedicated to the application of laser measuring scanners with reference to composite structures. The scanners and scanning techniques are discussed and their applications in composite structures deformation analysis i.e. rapid prototyping, damage repair, FEM modeling and the measurement of geometry are presented. The deformation analysis of composite structures using scanning with reference to the rapid prototyping provides the opportunities for optimization and reconstruction. Moreover, it allows for more efficient reparation of damage and recycling. It also offers a possibility for both the creation and validation of FE models by comparing the deformation from experiments with numerical calculations. However, the most important abilities of the laser scanners in the analysis of the deformation are connected with the measurement of geometry. In the presented work, the preliminary analysis of the deformation of the cylindrical composite panel with the help of the laser measuring scanner is presented in order to validate the possibility of using the measured data. 1. WSTÊP Optyczne skanery pomiarowe rejestruj¹ dane geometryczne z istniej¹cego fizycznie obiektu. Pomiary te s¹ nastêpnie u ywane do konstrukcji wirtualnego modelu 3D w postaci chmury punktów lub bezpoœrednio siatki trójk¹tów. Rejestracja pomiarów wykonanych skanerem odbywa siê najczêœciej w formacie STL (stereolitografia). Dzia³anie optycznych skanerów pomiarowych 3D opiera siê na krokowym odczycie/zapisie pomiarów analizowanych przebiegów. Mo na wyró niæ dwa sposoby przeprowadzania procesu skanowania: aktywne (sekwencyjna rejestracja pewnego obiektu albo jego obrazu wytworzonego w wyniku detekcji sygna³u emitowanego przez obiekt) i pasywne (skanowanie na podstawie sygna³u wtórnego powsta³ego w wyniku interakcji z obiektem). Dane pomiarowe w procesie ska-
Perspektywy zastosowañ laserowych skanerów pomiarowych do analizy deformacji struktur kompozytowych 5 Rys. 1. Taksonomia pomiarów skaningowych [1]. nowania uzyskiwane s¹ na podstawie promieniowania elektromagnetycznego (laser, radar), fal ultradÿwiêkowych (sonar) lub sygna³ów, które powsta³y w wyniku bezpoœredniego pomiaru dotykowego (maszyny wspó³rzêdnoœciowe). Sekwencyjnoœæ pomiarów w formie stopniowej rejestracji obrazu wizyjnego, obrazu widmowego, gabarytów obiektu w drodze cyklicznych pomiarów pozwala na uzyskanie du ej liczby danych pomiarowych. Obecnie najczêœciej wykorzystywane skanery pomiarowe 3D wykorzystuj¹ œwiat³o strukturalne: bia- ³e lub niebieskie albo technologiê laserow¹. Taksonomiê pomiarów skaningowych z umiejscowieniem w niej laserowych skanerów pomiarowych 3D, które stanowi¹ grupê najbardziej zaawansowan¹ technologicznie skanerów przedstawiono na rysunku 1 [1]. Obecnie laserowa technologia pomiarowa znajduje ca³y szereg zastosowañ zarówno w bezstykowych dynamicznych pomiarach elementów maszynowych (œwiat³owody, wa³ki, druty, kable, w³ókna, taœmy), jak i do kontroli wzorców w pomiarach laboratoryjnych. Pomiary dynamiczne wykorzystuj¹ fakt, e czêstotliwoœæ skanowania pozwala na uzyskanie do kilku tysiêcy skanów na sekundê, co przek³ada siê na bezwzglêdn¹ niedok³adnoœæ pomiaru w granicach 1-5 μm. W pomiarach laboratoryjnych wykorzystuje siê dodatkowo wzorce odniesienia [1]. Mo liwoœci analizy danych z pomiarów skanerem 3D pozwalaj¹ na wykorzystywanie ich do ca³ego szeregu zastosowañ, pocz¹wszy od prostego odwzorowania geometrii przedmiotu po u ycie skonstruowaniu na ich bazie modeli geometrycznych do analiz numerycznych jak np. w [2]. 2. PROCES SKANOWANIA LASEROWYMI SKANERAMI POMIAROWYMI Skanery pomiarowe realizuj¹ dwie podstawowe funkcje urz¹dzeñ do skaningu laserowego tj. pisania (projekcja wi¹zki laserowej w obszarze skanowania) i czytania (rejestrowanie i detekcja promieniowana rozproszonego w obszarze skanowania). Bior¹c pod uwagê sposób, w jaki prowadzona jest wi¹zka skanery dzieli siê je na poosiowe (skanowanie w wyniku przemieszczania ca³ego skanera lub g³o-
6 Agnieszka BONDYRA, Ma³gorzata CHWA, Przemys³aw D. PASTUSZAK Deflektor poligonalny P Kamera CCD Uk³ad soczewek W i S Pr¹ ki Dioda laserowa D Obiekt O Sygna³ steruj¹cy Rys. 2. Schemat dzia³ania skanera pomiarowego [1, 3]. wicy z laserem i detektorem, kierunek propagacji wi¹zki jest wspó³osiowy lub równoleg³y do osi optycznej skanera) i poprzeczne (po³o- enie skanera jest ustalone, wi¹zka odchyla siê od osi optycznej skanera w zale noœci od sposobu sterowania, rodzaju zastosowanego deflektora i uk³adu optycznego) [1]. Zasada dzia³ania skanera pomiarowego zosta³a przedstawiona na Rys. 2. Obiekt O jest umieszczony w obszarze skanowania. Na obiekcie wyœwietlane s¹ przez urz¹dzenie pomiarowe pr¹ ki laserowe w wyniku tego, e zachodzi projekcja wi¹zki laserowej przy pomocy uk³adu skanera z deflektorem poligonalnym P. ród³o promieniowania znajduje siê w diodzie laserowej D. Soczewka skupiaj¹ca S i soczewka cylindryczna W formuj¹ je nastêpnie w kszta³t pod³u ny. Kamera CCD rejestruje obraz pr¹ ków na badanym obiekcie O. Nastêpnie w wyniku analizy tego obrazu nastêpuje generowanie przestrzennej chmury punktów odpowiadaj¹cej kszta³towi obiektu skanowanego O [1]. Analizuj¹c sposób prowadzenia wi¹zki laserowej (skokowo lub wektorowo) skanowanie mo na podzieliæ na skanowanie rastrowe (powtarzaj¹ce siê przemiatanie wi¹zka laserow¹ obszaru skanowania na skanowanym obiekcie ze sta³a czêstotliwoœci¹ przy sta³ym zakresie skanowania) i skanowanie wektorowe (ruch wi¹zki laserowej jest realizowany w postaci serii jednokierunkowych przemieszczeñ k¹towych lub translacji) [1]. Po³o enie deflektora wzglêdem soczewki skanuj¹cej pozwala na konfiguracjê typu pre-objective (deflektor znajduje siê przed soczewk¹ skanuj¹ca, a w wyniku transformacji ruch k¹towy promienia jest przekszta³cany na translacyjny) lub post-objective (deflektor, umieszczony za soczewk¹, realizuje odchylenie) [1]. Wa nym elementem samego poprawnego przeprowadzenia pomiarów skanerem 3D jest kalibracja i konfiguracja urz¹dzenia pomiarowego, poniewa pozwala ona na prawid³owe odwzorowanie geometrii badanego obiektu niezale nie od tego, z jakiego materia³u jest wykonany. Przeprowadzenie ich przed samym skanowaniem pozwala na uwzglêdnienie w technice dokonywania pomiaru zarówno w³aœciwoœci powierzchni materia³u jak i temperatury, w której pomiar jest dokonywany. Ponadto daje mo liwoœæ najlepszego dostosowania sposobu umieszczenia markerów na mierzonym obiekcie, pozwalaj¹c zarówno na samopozycjonowanie siê skanera, jak i ³¹czenie wykonanych skanów w finalny model przy analizie danych pomiarowych. 3. ZASTOSOWANIA SKANINGU LASEROWEGO W ANALIZIE DEFOR- MACJI STRUKTUR KOMPOZYTOWYCH Materia³y kompozytowe charakteryzuje du e zró nicowanie, jeœli chodzi o ich w³aœciwoœci, co skutkuje koniecznoœci¹ stosowania do ich pomiarów urz¹dzeñ pozwalaj¹cych na uzyskanie mo liwie dok³adnych wyników przy jednoczesnym uwzglêdnieniu zró nicowania charakterystycznego dla tego typu materia³ów. Zastosowanie kontroli metrologicznej do pomiarów struktur wykonanych z materia- ³ów o ma³ej sztywnoœci [4] przy u yciu metod stykowych rodzi mo liwoœci pope³nia b³êdów wynik³ych z odkszta³cenia badanych detali. Powoduje to wzrost mo liwoœci zastosowañ optycznych technik pomiarowych do analiz tak e tego typu struktur.
Perspektywy zastosowañ laserowych skanerów pomiarowych do analizy deformacji struktur kompozytowych 7 Wp³yw b³êdów w pomiarach skaningowych, w tym przy dokonywaniu pomiarów obiektów cylindrycznych, w zale noœci od planowanych zastosowañ danych pomiarowych powinien zostaæ zminimalizowany dziêki u yciu rozwijanych obecnie algorytmów [1]. 3.1. In ynieria odwrotna i szybkie prototypowanie W projektowaniu konwencjonalnym myœli in ynierska przybiera³a najpierw formê modelu a nastêpnie postaæ rzeczywistego obiektu. W in ynierii odwrotnej to rzeczywiste obiekty s¹ przetwarzane na modele i koncepcje. In ynieriê odwrotn¹ mo na zdefiniowaæ, jako metodê tworzenia numerycznej geometrii modeli na podstawie rzeczywistych obiektów. Proces tworzenia modeli w in ynierii odwrotnej obejmuje akwizycjê danych, ich przetwarzanie, segmentacjê i dopasowanie powierzchni oraz tworzenia modeli CAD (Rys. 3). z in ynieri¹ odwrotn¹ odgrywaj¹ rosn¹ce znaczenie w odwzorowywaniu powierzchni zw³aszcza w lotnictwie, lotach kosmicznych, motoryzacji czy w produktach powszechnego u ytku [5]. Podstawowe zastosowania in ynierii odwrotnej obejmuj¹ [6]: tworzenie kopii obiektu, do którego brak dokumentacji technicznej; przeprojektowanie istniej¹cego obiektu w celu polepszenia funkcjonalnoœci i estetyki; tworzenie elementów dopasowanych do danego kszta³tu (np. protezy, kombinezony, opakowania). Tworzenie modeli w procesie in ynierii odwrotnej nie jest procesem zautomatyzowanym, chocia prowadzone prace w tej dziedzinie zmierzaj¹ do zautomatyzowania niektórych etapów procesu [7]. Rozwój in ynierii odwrotnej jest ukierunkowany na opracowanie inteligentnych skanerów 3D, które to bazuj¹c na zebranych punktach ze skanowanego obiektu umo liwi¹ generowanie modeli CAD Akwizycja danych Przetwarzania Segmentacja i dopasowanie powierzchni Tworzenie modeli CAD Rys. 3. Podstawowe etapy in ynierii odwrotnej. Odwzorowanie obiektu odbywa siê poprzez zebranie punktów z powierzchni, np. poprzez wykorzystanie skanerów laserowych. W in ynierii odwrotnej istniej¹cy obiekt jest mierzony za pomoc¹ skanera laserowego, a nastêpnie zebrane dane s¹ wykorzystywane do stworzenia powierzchni modelu lub modelu bry³owego. Stworzenie modelu numerycznego CAD/CAM obiektu jest dogodne z punktu widzenia wytwarzania i analizy oraz wprowadzenia poprawek od strony jakoœci i wydajnoœci. Ze wzglêdu na coraz to bardziej skomplikowane kszta³ty obiektów wykonanych z materia³ów kompozytowych technologie zwi¹zane nie tylko w sposób przybli ony, ale tak e przedstawia ca³¹ strukturê obiektu. Prowadzone prace skupiaj¹ siê na udoskonaleniu metod odwzorowania krawêdzi oraz odwzorowania powierzchni w celu stworzenia takiego skanera 3D, który pozwala na tworzenie poprawnych kopii obiektów 3D. Szybkie prototypowanie zwi¹zane jest z rozwojem in ynierii odwrotnej i mo e obejmowaæ skanowanie 3D oraz drukowanie 3D. W odró nieniu od kopiarek 3D, skaner 3D tworzy nie tylko kopiê obiektu, ale tak e zbiera informacje, które mog¹ byæ wykorzystane do tworzenia modeli numerycznych podlegaj¹cych modyfikacji. Technologia szybkiego
8 Agnieszka BONDYRA, Ma³gorzata CHWA, Przemys³aw D. PASTUSZAK Model 3D CAD Podzia³ modelu na warstwy Druk 3D: fizyczne nak³adanie kolejnych warstw Prototyp 3D Rys. 4. Podstawowe etapy szybkiego prototypowania. prototypowania polega na generowaniu rzeczywistych obiektów poprzez trójwymiarowe drukowanie. Powstanie prototypu rozpoczyna siê na etapie tworzenia rysunku CAD, który jest przesy³any do komputera drukarki 3D. Komputer powi¹zany z drukark¹ druku przestrzennego dzieli obiekt numeryczny na warstwy, które nastêpnie s¹ pobierane przez oprogramowanie maszyny modeluj¹cej i rozpoczyna siê proces powstawania fizycznego obiektu warstwa po warstwie, tzw. metoda addytywna (Rys. 4). Wykorzystanie druku przestrzennego w szybkim prototypowaniu pozwala na szybk¹, precyzyjn¹ i powtarzaln¹ produkcjê elementów. Szybkie prototypowanie obejmuje nie tylko tworzenie prototypów, ale tak e narzêdzi i finalnych wyrobów [8]. 3.2. Budowa modeli numerycznych Wykorzystanie pomiarów geometrii, jako bazy do analiz numerycznych np. metoda elementów skoñczonych (MES) staje siê coraz powszechniejsz¹ tendencj¹ [2, 911]. W wyniku skanowania i przetwarzania wyników z chmury punktów otrzymuje siê tzw. model fasetkowy (po triangulacji), który nastêpnie po redukcji liczby trójk¹tów oraz uzyskaniu jednorodnego modelu CAD stanowi bazê do wykonania modelu geometrycznego. G³ówna zalet¹ takiego sposobu budowania modeli jest zgodnoœæ z geometri¹ rzeczywist¹ na za³o onym poziomie dok³adnoœci, co stanowi spore udogodnienie w przypadku z³o onej geometrii [11]. Sposób rejestracji danych pozwala po odpowiednich przekszta³ceniach w oprogramowaniu dedykowanym do skanerów 3D, na wykorzystanie ich do utworzenia modelu geometrycznego lub siatki, które bêd¹ stanowi³y finalnie bazê do analiz numerycznych i symulacji. Wykorzystane oprogramowanie pozwala na uzyskanie dok³adnych wymiarów modelu CAD oraz transformacjê powierzchni w bry³y. Dodatkow¹ mo liwoœci¹ zwi¹zan¹ z budow¹ modeli numerycznych jest wykorzystanie pomiarów skanerem do walidacji modelu, np. w formie porównania deformacji przed i po zniszczeniu [12]. 3.3. Pomiary geometrii W pracy [13] zosta³a przedstawiona analiza zniszczenia czêœci maszyny o skomplikowanej geometrii przy u yciu skanera pomiarowego 3D. Pokazano, tam mo liwoœci porównania geometrii mierzonego obiektu przed i po zniszczeniu. Dane otrzymane z pomiarów w formie chmury punktów lub pliku STL pozwalaj¹ na ich porównanie albo z geometri¹ referencyjn¹ w formie pliku CAD albo porównanie geometrii przed i po zniszczeniu w celu okreœlenia deformacji. Ponadto kolejn¹ mo liwoœci¹ uzyskan¹ przez obróbkê danych ze skanowania 3D jest porównanie zmian przekrojów analizowanej struktury. Prezentacja pomiarów w postaci mapy odchy³ek daje mo liwoœæ zobrazowania deformacji, które zasz³y w strukturze, ale tak e pozwala na kontrolê dok³adnoœci wykonania na ro nych etapach obróbki powierzchni. Prezentowany sposób pomiarów geometrii daje tak e mo liwoœci digitalizacji modeli CAD albo oceny stopnia zu ycia w warunkach pracy [14]. Szczególnie interesuj¹c¹ mo liwoœ-
Perspektywy zastosowañ laserowych skanerów pomiarowych do analizy deformacji struktur kompozytowych 9 ci¹ oferowana przez skaning 3D jest forma analizy danych w postaci tzw. inspekcji zarówno ca³ej struktury jak i poszczególnych profili, kiedy to punkty opisywane s¹ oprócz zmiennych lokalizuj¹cych je w uk³adzie wspó³rzêdnych, dodatkow¹ informacj¹ o odchy³ce. 4. PRZYK AD ANALIZY STRUKTURY KOMPOZYTOWEJ Jako przyk³ad perspektyw wykorzystania danych pomiarowych uzyskanych ze skaningu, w pracy wstêpnie przeanalizowano panel cylindryczny wykonany z laminatu szklanego. Pomiarów dokonano przy u yciu rêcznego skanera laserowego 3D Handyscan, model REVscan firmy Creaform. Zastosowany skaner pozwala na bezpoœrednie dokonywanie pomiarów z maksymaln¹ dok³adnoœci¹ 50 μm, z szybkoœci¹ do 18 000 pomiarów na sekundê. W wyniku skanowania uzyskano geometriê kompozytowego panelu cylindrycznego w formie chmury punktów (Rys. 5). Przy u yciu skanera i póÿniejszej obróbce otrzymanych danych w oprogramowaniu GeoMagic Qualify porównano geometriê cylindrycznej pow³oki przed i po deformacji. Dziêki opcjom dostêpnym w œrodowisku Geomagic mo liwe by³o okreœlenie wspó³rzêdnych poszczególnych punktów zidentyfikowanych na panelu (Rys. 6) oraz przeœledzenie zmiany promienia krzywizny œciskanego obiektu (Rys. 7). Przy analizie wielkoœci wzorcowej wykorzystano zaprezentowane w [1,4] wstêpne równanie pomiaru w formie: d=d z + d z + d s + d wz (1) Rys. 5. Pomiar panelu cylindrycznego skanerem 3D. Rys. 6. Okreœlenie wspó³rzêdnych wybranych punktów na mierzonym obiekcie.
10 Agnieszka BONDYRA, Ma³gorzata CHWA, Przemys³aw D. PASTUSZAK szklanego, gdzie szczególnie interesuj¹cymi aspektami s¹ mo liwoœci obserwacji pomiaru promienia krzywizny struktury oraz analizy deformacji w poszczególnych punktach. W oparciu o zaprezentowane perspektywy pomiarów wykonywanych laserowym skanerem pomiarowym 3D, w ramach dalszych prac istnieje mo liwoœæ przeprowadzenia analizy danych pomiarowych uzyskanych ze skanowania struktur kompozytowych poddanych ró nego typu obci¹ eniom. Literatura Rys. 7. Zmiana promienia krzywizny odkszta³conej pow³oki cylindrycznej. gdzie: d z œrednica zmierzona skanerem, d z rozdzielczoœæ pomiaru, d s b³¹d systematyczny pomiaru, d wz niedok³adnoœæ wzorca œrednicy. 5. PODSUMOWANIE Prezentowana praca stanowi przegl¹d perspektyw zastosowania laserowego skaningu 3D ze szczególnym zaakcentowaniem analizy deformacji w konstrukcjach kompozytowych. Ze wzglêdu na formê uzyskiwanych danych oraz mo liwoœci ich przetwarzania i analizy, zidentyfikowano i opisano cztery podstawowe obszary, w których pomiary deformacji konstrukcji kompozytowych przeprowadzone przy u yciu skanerów laserowych 3D bêd¹ w coraz wiêkszym stopniu decydowa³y o ich rozwoju i s¹ to: szybkie prototypowanie, in ynieria odwrotna, budowa modeli do analiz numerycznych metodami siatkowymi oraz rejestracja deformacji geometrii przed i po zniszczeniu. Zaprezentowano tak e przyk³ad analizy panelu cylindrycznego wykonanego z laminatu [1] Jab³oñski R., Laserowe skanery pomiarowe, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 2013. [2] Baranowski P., azowski J., Ma³achowski J., Budowa modelu numerycznego uk³adu hamulcowego z wykorzystaniem techniki skanowania 3D, Mechanik, 2010, 3, ss. 216-218. [3] Marshall G.F., Optical scanning, Marcel Dekker Inc., New York, 1991. [4] Dietrich C.F., Uncertainty, calibration and probability: the statistics of scientific and industrial measurement, Taylor & Francis, 1991. [5] Zexiao X., Jianguo W., Qiumei Z., Complete 3D measurement in reverse engineering using multi-probe system, International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2005, 45, pp. 1474-1486. [6] Varady T., Ralph R.M., Cox J., Reverse engineering of geometric models an introduction, Computer Aided Design, 1997, 29(4), pp. 255-268. [7] Zhou M., A new approach of composite surface reconstruction based on reverse engineering, Procedia Engineering, 2011, 23, pp. 594-599. [8] Miecielica M., Techniki szybkiego prototypowania rapid prototyping, Przegl¹d Mechaniczny, 2010, 2, ss. 39-45. [9] Matsuda, H., Sakiyama, T., Morita, C., Nakamura, M. and Kawaguchi, K.: Development of finite element analysis system for membrane and shell structures by using 3D-optic system, TRENDS in Computational Structural Mechanics (CSM), 2001, pp. 511-518. [10] Szurgott P., Niezgoda T., Thermomechanical FE analysis of the engine piston made of composite mate-
Perspektywy zastosowañ laserowych skanerów pomiarowych do analizy deformacji struktur kompozytowych 11 rial with low hysteresis, Journal of KONES, 2011, 18(1), ss. 645-650. [11] Wróbel I., Wykorzystanie in ynierii odwrotnej do budowy modeli MES czêœci maszyn, XII Forum In ynierskie ProCAx, 2013, ss. 1-8. [12] Lemes, S., Validation of Numerical Simulations by 3D Scanning: Springback Compensation in 3D Scanning by Finite Element Analysis, LAP Lambert Academic Publishing, 2012. [13] Karczewski M., Koliñski K., Walentynowicz J., Optical analysis of failure of combustion engines elements, Journal of KONES, 2011, 18(1), ss. 237-242. [14] Augustyniak M., Barczewski M., Andrzejewski J., Wykorzystanie wspó³rzêdnoœciowej techniki pomiarowej w badaniach tworzyw sztucznych, Pomiary Automatyka Robotyka, 2012, 16(2), ss. 48-51.
12 B³a ej CHMIELNICKI, Jaros³aw KONIECZNY B³a ej CHMIELNICKI, 1), Jaros³aw KONIECZNY 2) 1) Instytut In ynierii Materia³ów Polimerowych i Barwników, Oddzia³ Farb i Tworzyw w Gliwicach; b.chmielnicki@impib.pl 2) Instytut Materia³ów In ynierskich i Biomedycznych, Politechnika Œl¹ska, Wydzia³ Mechaniczny Technologiczny; jaroslaw.konieczny@polsl.pl W³aœciwoœci kompozytów WPC o osnowie polietylenowej nape³nionych m¹czk¹ z ³upin orzechów Streszczenie. W artykule przedstawiono krótk¹ charakterystykê kompozytów WPC S (ang. wood-plastic composites). Materia³y te ze wzglêdu na swoje unikalne w³aœciwoœci, bêd¹ce po- ³¹czeniem cech drewna oraz tworzyw polimerowych, stanowi¹ alternatywê dla obu z nich. W niniejszej publikacji skupiono siê na przedstawieniu w³aœciwoœci kompozytów WPC S nape³nionych m¹czk¹ z ³upin orzechów. Nape³niacz ten cechuje siê lepszymi w³aœciwoœciami termicznymi ni m¹czka drzewna, a przez brak w jego strukturze celulozy i ligniny wch³ania mniej wody. PROPERTIES OF WPC COMPOSITES WITH POLYETHYLENE MATRIX FILLED WITH NUTSHELL FLOUR Summary. The article presents a brief description of WPC S (wood-plastic composites). These materials due to their unique properties, which combine characteristics of wood and plastic polymers as an alternative to both of them. This publication focuses on the properties of WPC S composites filled with flour derived from nutshells. The filler is characterized by better thermal properties than wood flour, and thanks to the lack of cellulose and lignin in the structure of this filler, it absorbs less water. 1. WSTÊP Wci¹ rosn¹ce koszty wytwarzania produktów polimerowych powoduj¹ nieustanne poszukiwania sposobów obni enia kosztów produkcji. St¹d tak szerokie zainteresowanie nape³niaczami pochodzenia naturalnego, które stanowi¹ alternatywê dla tradycyjnych, powszechnie stosowanych nape³niaczy tworzyw sztucznych. S¹ tanie, odnawialne, maj¹ dobre w³aœciwoœci mechaniczne, ma³y skurcz przetwórczy, a w przypadku kompozytów wysoko nape³nionych (powy ej 50%) przypominaj¹ drewno, co wp³ywa na ich walory estetyczne. Przyk³adem takich materia³ów s¹ kompozyty WPC (wood-polymer composites). Noœnikiem nape³niacza jest polimer, a nape³niaczem ró ne frakcje drewna, które stanowiæ mog¹ nawet 70% wype³nienia kompozytu. Najczêœciej do wytwarzania elementów z materia³u WPC stosuje siê technologiê wyt³aczania lub wtryskiwania [1-6]. G³ównym odbiorc¹ jest przemys³ meblarski i wykoñczeniowy, dla którego wytwarzane s¹ ró nego rodzaju listwy, profile, ³¹czniki itp. Natomiast technologiê wtryskiwania stosuje siê do wytwarzania ró nego rodzaju elementów, od bardzo ma³ych dla przemys³u meblarskiego (uchwyty, r¹czki, wieszaki) na du ych pojemnikach skoñczywszy [7-10]. Do produkcji kompozytów drewno-polimer wykorzystuje siê polimery termoplastyczne na bazie poliolefin (polipropylen PP, polietylen PE) oraz polichlorek winylu PVC [3, 8, 11, 12]. Jako nape³niacz mo na wykorzystywaæ odpady z zak³adów obróbki drewna. Mog¹ to byæ wióry, trociny, py³ drzewny i inna frakcja [3, 13-15]. Alternatyw¹ dla stosowania jako nape³niacza m¹czki drzewnej, czy w³ókien pochodzenia roœlinnego, mog¹ byæ nape³niacze na bazie ³upin orzechów. Niew¹tpliw¹ ich
W³aœciwoœci kompozytów WPC o osnowie polietylenowej nape³nionych m¹czk¹ z ³upin orzechów 13 zalet¹ jest fakt, e ³upina orzecha zbudowana jest ze sklerychemy. Jest to martwa tkanka wzmacniaj¹ca roœliny sk³adaj¹ca siê g³ównie z komórek prozynchematycznych o nieregularnej, mocno wyd³u onej budowie. Tkanka sklerychematyczna cechuje siê bardzo du ¹ twardoœci¹ i sztywnoœci¹ oraz ma³¹ ch³onnoœci¹ wody. Cechy te stwarzaj¹ mo liwoœæ produkcji kompozytów WPC S pozbawionych podstawowej wady tego rodzaju materia³ów, jak¹ jest zmiana w³aœciwoœci i obni enie trwa- ³oœci pod wp³ywem wilgoci. Celem badañ by³o wytworzenie kompozytów WPC S nape³nionych m¹czk¹ z ³upin orzechów w³oskich i laskowych oraz zbadanie ich w³aœciwoœci. Szczególn¹ uwagê zwrócono na stabilnoœæ w³aœciwoœci ww. materia³ów po ich moczeniu w wodzie, a tak e odpornoœæ na degradacjê w warunkach œrodowiska naturalnego. 2. MATERIA I METODYKA BADAÑ Przedmiotem badañ by³y kompozyty WPC o osnowie z polietylenu Hostalen GC 7260, z dodatkiem 5%, 10%, 20% lub 30% m¹czki uzyskanej z ³upin orzechów w³oskich i laskowych. Jako materia³ odniesienia przyjêto niemodyfikowany polietylen bazowy. M¹czkê z ³upin orzechów w³oskich zastosowano w dwóch wariantach: o maksymalnym uziarnieniu 500 μm oraz 315 μm. M¹czka z ³upin orzecha laskowego charakteryzowa³a siê uziarnieniem 315 μm. Powy sze m¹czki przygotowano w oparciu o dostêpne dane literaturowe [16-30], wg. których kompozyty WPC nape³nione tego rodzaju dodatkami organicznymi charakteryzuj¹ siê najlepszymi w³aœciwoœciami. Oznaczenia poszczególnych badanych materia³ów umieszczono w tabeli 1. Mieszanki poddano jednokrotnemu wyt³aczaniu homogenizuj¹cemu przy u yciu wyt³aczarki dwuœlimakowej przeciwbie nej Goettfert. Uzyskano dziêki temu granulat, z którego, metod¹ wtryskiwania, przygotowano kszta³tki badawcze. Proces wtryskiwania prowadzono przy u yciu wtryskarki BATTENFELD Plus 35/75, wyposa onej w system sterowania UNI- LOG B2, o stosunku L/D 17. Tabela 1. Oznaczenia badanych materia³ów Rodzaj m¹czki M¹czka z ³upin orzechów w³oskich o uziarnieniu 500 μm M¹czka z ³upin orzechów w³oskich o uziarnieniu 315 μm M¹czka z ³upin orzechów laskowych o uziarnieniu 315 μm Zawartoœæ m¹czki, [%] 0 5 10 20 30 Oznaczenie próbki A1 A2 A3 A4 A5 B1 B2 B3 B4 B5 C1 C2 C3 C4 C5 Statyczna próbê rozci¹gania wykonano na uniwersalnej maszynie wytrzyma³oœciowej Instron TT-CM 80 wg Polskiej Normy [31], przy prêdkoœci rozci¹gania: 50 mm/min. Badaniu w temperaturze otoczenia poddano próbki nie starzone, oraz po 10 cyklach zamra ania, moczenia i suszenia. Czas trwania jednego cyklu wynosi³ 24 h (podzielone na 3 oœmiogodzinne czêœci). Dla ka dego wariantu kompozytu zbadano po 5 kszta³tek. Masowy wskaÿnik szybkoœci p³yniêcia MFR okreœlono wg Polskiej Normy [32], przy u yciu plastometru kapilarnego Zwick-Roell, stosuj¹c nastêpuj¹ce warunki i parametry badania: temp. oznaczenia: 190 C, obci¹ enia badawcze: 2,16 kg, czas kondycjonowania próbki w temp. pomiaru, bez przy³o onego obci¹ enia badawczego: 5 min, badanie powtórzono trzykrotnie. Udarnoœci okreœlono metod¹ Charpy ego wg Polskiej Normy [33], w temperaturze pokojowej, stosuj¹c nastêpuj¹ce warunki i parametry pomiaru: energia uderzenia m³ota: 4 J, temperatura badania 22 C, karb typu V o g³êbokoœci 2 mm, badano po 5 próbek. Ch³onnoœci wody kompozytów okreœlono wg Polskiej Normy [34] stosuj¹c nastêpuj¹ce warunki i parametry pomiaru: próbki wa ono po 3, 7, 14, 21 i 28 dniach,
14 B³a ej CHMIELNICKI, Jaros³aw KONIECZNY dok³adnoœæ pomiaru ciê aru próbek: ±0,001g, ciê ar próbek okreœlano przy u yciu wagi analitycznej Mettler Toledo, próbki moczone by³y w wodzie demineralizowanej w temp. 22 C. Temperaturê rozk³adu m¹czki drzewnej okreœlono metod¹ termograwimetryczn¹. Badanie wykonano przy u yciu termowagi Mettler-Toledo z szybkoœci¹ grzania 20 C/min, przy przep³ywie N 2 60 ml/min i porównawczo O 2 60 ml/min. 3. WYNIKI BADAÑ Wykonane badania wytrzyma³oœciowe wykaza³y spadek wytrzyma³oœci na rozci¹ganie i wyd³u enia wzglêdnego przy zerwaniu w funkcji wzrostu zawartoœci nape³niacza organicznego (Rys. 1 i 2). Nie stwierdzono wyraÿnego wp³ywu na wartoœæ badanego parametru przez zmianê rodzaju nape³niacza (m¹czka z ³upin orzechów w³oskich lub m¹czka z ³upin orzechów laskowych), ani te wielkoœæ uziarnienia nape³niacza. Wszystkie otrzymane mieszanki cechowa³y siê zadowalaj¹cymi w³aœciwoœciami wytrzyma³oœciowymi, które nieznacznie wzros³y po cyklach starzenia co zobrazowano na rysunkach 3 i 4. Zjawisko to wyt³umaczyæ mo na zajœciem procesu krystalizacji osnowy polimerowej, wywo³anym dzia- ³aniem ciep³a. Planowana jest kontynuacja badañ wytrzyma³oœciowych na próbkach poddanych wielomiesiêcznemu moczeniu w wodzie i mro eniu. Autorzy s¹dz¹, e taka metodyka pozwoli na ujawnienie ewentualnej podatnoœci wytworzonych kompozytów WPC S na dzia³anie warunków atmosferycznych. Zgodnie z danymi literaturowymi [35-39], zwiêkszenie zawartoœci nape³niacza organicznego w postaci m¹czki z ³upin orzechów spowodowa³o zmniejszenie udarnoœci z karbem badanych próbek (rys. 5). Efektowi temu przeciwdzia³aæ mo na stosuj¹c modyfikacjê powierzchni nape³niacza lub dodatki odpowiednich kompatybilizatorów. Charakter zmian wartoœci udarnoœci dla próbek serii B i C by³ to samy z przedstawionym na rysunku 5 dla serii A. Masowy wskaÿnik szybkoœci p³yniêcia jest kolejnym parametrem, który ujawni³ wyraÿny wp³yw dodatku m¹czki organicznej na w³aœciwoœci otrzymanego kompozytu WPC S. Wraz ze wzrostem zawartoœci m¹czki znacz¹co ros³a lepkoœæ kompozycji powoduj¹c spadek wartoœci masowego wskaÿnik szybkoœci p³yniêcia Rys. 1. Wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie próbek kompozytów WPC
W³aœciwoœci kompozytów WPC o osnowie polietylenowej nape³nionych m¹czk¹ z ³upin orzechów 15 Rys. 2. Wyd³u enie wzglêdne przy naprê eniu maksymalnym próbek kompozytów WPC Rys. 3. Wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie próbek kompozytów WPC poddanych starzeniu MFR (Rys. 6.). W œwietle przedstawionych wyników, potwierdzi³o siê przypuszczenie autorów o koniecznoœci stosowania polimeru o ma- ³ej lepkoœci. Zastosowanie tworzywa o niskim masowym wskaÿniku szybkoœci p³yniêcia spowodowa³oby utrudnienia w czasie procesu wyt³aczania-granulowania materia³u, co mog³oby naraziæ nape³niacz na d³ugotrwa³e dzia- ³anie wysokiej temperatury, czego konsekwencj¹ by³oby jego przypalenie i zdegradowanie. Charakter zmian wartoœci masowego wskaÿnika szybkoœci p³yniêcia dla próbek serii B i C by³ to samy z pokazanym na rysunku 6 dla serii A. Badania ch³onnoœci wody prowadzone poprzez zanurzenie próbek w wodzie o temp.
16 B³a ej CHMIELNICKI, Jaros³aw KONIECZNY Rys. 4. Wyd³u enie wzglêdne przy naprê eniu maksymalnym próbek kompozytów WPC poddanych starzeniu Rys. 5. Udarnoœæ próbek kompozytów WPC serii A Rys. 6. Masowy wskaÿnik szybkoœci p³yniêcia kompozytów WPC serii A ok. 20 C, wykaza³y stosunkowo niski stopieñ absorpcji cieczy badawczej przez otrzymane kompozyty WPC [8,16,28]. Jest to najprawdopodobniej wynik ograniczenia zawartoœci w nape³niaczu silnie higroskopijnej ligniny i celulozy (obecnych w klasycznych m¹czkach
W³aœciwoœci kompozytów WPC o osnowie polietylenowej nape³nionych m¹czk¹ z ³upin orzechów 17 Rys. 7. Ch³onnoœæ wody próbek kompozytów WPC po 3 dniach moczenia Rys. 8. Ch³onnoœæ wody próbek kompozytów WPC po 7 dniach moczenia Rys. 9. Ch³onnoœæ wody próbek kompozytów WPC po 14 dniach moczenia drzewnych). Zwi¹zki te nie wystêpuj¹ w sklerychematycznej tkance, z której zbudowane s¹ ³upiny orzechów. Dodatkowo dostrzegalna jest ró nica w absorpcji wody pomiêdzy próbkami nape³nionymi m¹czk¹ z ³upin orzechów laskowych i w³oskich na korzyœæ tych pierwszych (Rys. 7-10). Badania termograwimetryczne wykaza³y wiêksz¹ odpornoœæ m¹czki z ³upin orzechów na degradacjê w podwy szonej temperaturze
18 B³a ej CHMIELNICKI, Jaros³aw KONIECZNY Rys. 10. Ch³onnoœæ wody próbek kompozytów WPC po 21 dniach moczenia!tga, B. Chmielnicki, maczka z lupin orz TGA, B. Chmielnicki, maczka z lupin orze, 14,1110 mg % 100 Onset 225,45 C Left Limit 208,22 C Right Limit 356,41 C 50 Step -5,8823 % -0,8301 mg Left Limit 42,58 C Right Limit 121,35 C Step -90,8610 % -12,8214 mg Residue 3,0456 % 0,4298 mg Left Limit 199,76 C Right Limit 384,92 C 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 C Rys. 11. Krzywa TGA rozk³adu m¹czki z ³upin orzechów laskowych w stosunku do klasycznych m¹czek drzewnych [1,3,16]. Rysunek 11 przedstawia krzywa TGA uzyskany podczas termicznego rozk³adu m¹czki z ³upin orzechów laskowych. Pocz¹tek zasadniczej dekompozycji struktury nape³niacza nastêpuje w temp. powy ej 220 C. Zmiany masy, które zaobserwowaæ mo na w ni szych temperaturach, zwi¹zane s¹ z odparowaniem wilgoci, a tak e niewielkiej iloœci substancji lotnych pochodzenia roœlinnego zawartych w m¹czce. 4. WNIOSKI KOÑCOWE Na podstawie przeprowadzonych badañ stwierdziæ mo na, e m¹czka pozyskiwana z ³upin orzechów stanowiæ mo e dobry nape³niacz kompozytów WPC. Materia³y powsta³e na jej bazie charakteryzuj¹ siê podobnymi w³aœciwoœciami jak kompozyty nape³nione tradycyjn¹ m¹czk¹ drzewn¹, jednak ich ch³onnoœæ wody jest na nieco ni szym poziomie. Wartym podkreœlenia jest fakt otrzymania materia³u o zadawalaj¹cych w³aœciwoœciach mechanicznych i u ytkowych bez stosowania jakichkolwiek dodatków modyfikuj¹cych kompozyt. Autorzy przypuszczaj¹, e stosunkowo ³atwo poprzez zastosowanie odpowiednich kompatybilizatorów, a tak e chemicznej modyfikacji powierzchni m¹czki, uzyskaæ mo na poprawê w³aœciwoœci omawianych materia³ów, co uczyni³oby kompozyty WPC S nape³nione m¹czk¹ z ³upin orzechów bardziej konkurencyjnymi w potencjalnych aplikacjach. Nie bez znaczenia pozostaj¹ tak e walory estetyczne otrzymanych tworzyw, które predestynuj¹ je do stosowania w szerokim zakresie aplikacji.
W³aœciwoœci kompozytów WPC o osnowie polietylenowej nape³nionych m¹czk¹ z ³upin orzechów 19 Literatura [1] Zajchowski S., Ryszkowska J.; Kompozyty polimerowo-drzewne charakterystyka ogólna oraz ich otrzymywanie z materia³ów odpadowych; Polimery nr 10 T 54; 2009 r. [2] Clemons C., Ibach R.; Effects of processing method and moisture history on laboratory fungal resistance of wood-hdpe composites; Forest Products Society nr 4 Vol. 54, 2004 r. [3] Gardner D., Murdock D.; Extrusion of Wood Plastic Composites; University of Maine, Orono ME, 2010 r. [4] Winandy J., Stark N., Clemons C.; Considerations in recycling of Wood-Plastics Composites; Materia³y Konferencyjne 5th Global Wood and Natural Fibre Composites Symposium in Kassel, 2004 r. [5] Burgstaller C.; Processing of Thermal Sensitive Materials Case Study for Wood Plastic Composites; Monatshefte fur Chemie nr 138; 2007 r. [6] Wolcott M., Englund K.; A Technology Review of Wood-Plastic Composites; Materia³y konferencyjne 33 rd International Particleboard Composite Materials Symposium, Washington DC, 1999 r. [7] Postawa P., Stachowiak T., Szarek A.; Badania w³aœciwoœci kompozytów drewno-polimer metod¹ DMTA; Kompozyty nr 3 R. 10; 2010 r. [8] Zajchowski S., Tomaszewska J.; Kompozyty polimerowo-drzewne; Teka Kom. Bud. Ekspl. Masz. Elektrotech. Bud-OL PAN, 2008 r. [9] Zajchowski S., Tomaszewska J., Kuciel S.; Badania w³aœciwoœci przetwórczych kompozytów PVC/ m¹czka drzewna; Mechanik nr 3, 2009 r. [10] Merkel K., Len a J., Rydarowski H.; Charakterystyka termoplastycznych tworzyw wzmocnionych w³óknami celulozowymi z makulatury; Polimery i Kompozyty Konstrukcyjne 2011, Olsztyn 2011 [11] English B.; Wood fiber-reinforced plastics in construction; Materia³y konferencyjne Building Technology, and Environmental Medison WI; 1996 r. [12] Hill C.; Wood modification: Chemical, Thermal and Other Processes; Wydawnictwo John Wiley & Sons; 2007 r. [13] Ibach R., Clemons C., Schumann R.; Wood-Plastic Composites with Reduced Moisture: Effects of Chemical Modification on Durability in the Laboratory and Field, Materia³y konferencyjne 9th International Conference on Wood & Biofiber Plastic Composites, Madison WI 2007 [14] El-Haggar, Salah M., Mokhtar A., Advances in Composite Materials Analysis of Natural and Man-Made Materials; Wydawnictwo In-Tech; 2011 r. [15] Stark N.; Wood fiber derived from scrap pallets used in polypropylene composites; Forest Products Journal nr 6 Vol. 49, 1999 r. [16] Zajchowski S., Ryszkowska J.; Kompozyty polimerowo-drzewne charakterystyka ogólna oraz ich otrzymywanie z materia³ów odpadowych; Polimery nr 10 T 54; 2009 r. [17] Buehlmann U., Saloni D., Lemaster R.L.; Wood Fiber-Plastic Composites: Machining and Surface Quality; Materia³y konferencyjne 15th International Wood Machining Seminar Anaheim CA, 2001 [18] Postawa P., Stachowiak T., Szarek A.; Badania w³aœciwoœci kompozytów drewno-polimer metod¹ DMTA; Kompozyty nr 3 R. 10; 2010 r. [19] English B., Falk R.; Factors that affect the application of Woodfiber-Plastic Composites, Forest Products Society nr 7, 1996 r. [20] Falk R., Vos D., Cramer S.; The comparative performance of woodfiber-plastic and wood-based panels; Materia³y konferencyjne 5 th International Conference on Woodfiber-Plastic Composites, Medison WI; 1999 r. [21] Stark N.; Considerations in the Weathering of Wood-Plastic Composites, Materia³y konferencyjne 3rd Wood Fibre Polymer Composites International Symposium, March 2007, Bordeaux [22] Chmielnicki B., Jurczyk S.; Kompozyty WPC jako alternatywa dla wytworów z drewna; Przetwórstwo Tworzyw nr 5 T 155; 2013 r. [23] Burgstaller C.; Processing of Thermal Sensitive Materials Case Study for Wood Plastic Composites; Monatshefte fur Chemie nr 138; 2007 r. [24] El-Haggar, Salah M., Mokhtar A., Advances in Composite Materials Analysis of Natural and Man-Made Materials; Wydawnictwo In-Tech; 2011 r. [25] Sa³aciñska K., Ryszkowska J.; W³aœciwoœci kompozytów wykonanych z drewna i folii oksydegradowalnej pochodz¹cej z recyklingu; Mechanik nr 3; 2009 r.
20 B³a ej CHMIELNICKI, Jaros³aw KONIECZNY [26] Sears K., Jacobson R., Caulfield D., Underwood J.; Reinforcement of Engineering Thermoplastics with High Purity Wood Cellulose Fibers; Materia- ³y konferencyjne 6 th International Conference on Woodfiber Plastic Composites, Madison WI, 2001 r. [27] Nygard P., Tanem B., Karlsen T., Brachet P., Leinsvang B.; Extrusion-based wood fibre PP composites: Wood powder and pelletized wood fibres a comparative study; Composites Science and technology nr 68, 2008 r. [28] Zajchowski S., Patuszyñski K.; Wp³yw zawartoœci wody na w³asnoœci kompozytów polipropylenowych nape³nionych m¹czk¹ drzewn¹ (WPC); Kompozyty nr 3 R. 5, 2005 r. [29] Zajchowski S., Gozdecki C., Kociszewski M.; Badania w³aœciwoœci fizycznych i mechanicznych kompozytów polimerowo-drzewnych (WPC); Kompozyty nr 3 R. 5, 2005 r. [30] Silva A., Gartner B., Morrell J.; Towards the Development of Accelerated Methods for Assessing the Durability of Wood Plastic Composites; Journal of Testing and Evaluation nr 3, 2007 r. [31] PN-EN ISO 527-1:1998 Tworzywa sztuczne Oznaczanie w³aœciwoœci mechanicznych przy statycznym rozci¹ganiu Zasady ogólne [32] PN-EN ISO 1133-1:2011 Tworzywa sztuczne Oznaczanie masowego wskaÿnika szybkoœci p³yniêcia (MFR) i objêtoœciowego wskaÿnika szybkoœci p³yniêcia (MVR) tworzyw termoplastycznych Czêœæ 1: Metoda standardowa [33] PN-EN ISO 179-1:2010 Tworzywa sztuczne Oznaczanie udarnoœci metod¹ Charpy ego Czêœæ 1: Nieinstrumentalne badanie udarnoœci [34] PN-EN ISO 62:2008 Tworzywa sztuczne Oznaczanie absorpcji wody [35] Zajchowski S., Tomaszewska J., Kuciel S.; Badania w³aœciwoœci przetwórczych kompozytów PVC/ m¹czka drzewna; Mechanik nr 3, 2009 r. [36] Szostak A., Ratajczak E.; Zasoby odpadów drzewnych w Polsce; Materia³y konferencyjne Pellets-Expo 2003 [37] Kuciel S., Liber-Kneæ A.; Biocomposites based on PHB filled with wood or kenaf fibers; Polimery nr 3 Vol. 56, 2011 r. [38] Merkel K., Len a J., Rydarowski H.; Charakterystyka termoplastycznych tworzyw wzmocnionych w³óknami celulozowymi z makulatury; Polimery i Kompozyty Konstrukcyjne 2011, Olsztyn 2011 [39] Schirp A., Ibach R., Pendleton D., Wolcott M.; Biological Degradation of Wood-Plastic Composites (WPC) and Strategies for Improving the Resistance of WPC against Biological Decay; Materia³y konferencyjne Development of Wood Preservative Systems. San Diego, CA American Chemical Society 2008 r.
Kad³uby laminatowe dla okrêtów zwalczania min problemy technologiczne 21 Andrzej GRZ DZIELA Wydzia³ Mechaniczno-Elektryczny, Akademia Marynarki Wojennej a.grzadziela@amw.gdynia.pl Kad³uby laminatowe dla okrêtów zwalczania min problemy technologiczne problemy technologiczne Streszczenie. Artyku³ przedstawia problem obliczeñ konstrukcji kad³ubów niszczycieli min wykonanych z laminatów GRP. Scharakteryzowano zadania niszczycieli min oraz przedstawiono problem odpornoœci udarowej na falê detonacji podwodnej. Wskazano metody obliczeñ parametrów fali wywo³uj¹cej odkszta³cenia sprê yste kad³uba okrêtowego oraz oddzia³ywanie dynamiczne na struktury wewnêtrzne. Przedstawiono wspó³czeœnie stosowane metody realizacji konstrukcji kad³ubów GRP oraz ³¹czenia z elementami stalowymi. POLYMER COMPOSITES IN MINEHUNTERS HULL CONSTRUCTION TECHNOLO- GICAL PROBLEMS Abstract. The paper presents the problem of calculating the hull structures of minehunters made from GRP laminates. It characterizes the task of minehunters and presents the problem of impact resistance to the waves of underwater detonations. This method of calculating the parameters of the indicated wave causing elastic deformation of the hull of the ship and dynamic effects on the internal structures. The paper presents the implementation of modern methods of constructing GRP hulls and connecting laminate with steel part. 1. WSTÊP Marynarka Wojenna RP od æwieræwiecza u ytkuje okrêty zwalczania min (OZM) polskiej konstrukcji projektu 207 wykonane z laminatu poliestrowo-szklanego, formowanego bezciœnieniowo w temperaturze ok. T = 20 C, na bazie ywic nienasyconych, ortoftalowych lub chemoutwardzalnych. Stan techniczny oraz wyposa enie bojowe u ytkowanych jednostek wskazuj¹ na koniecznoœæ podjêcia w mo liwie najbli szym czasie kroków zmierzaj¹cych do wymiany wszystkich okrêtów. Od po³owy lat 90-tych XX wieku prowadzone s¹ prace nad nowymi OZM pod roboczym kryptonimem KORMORAN. Wszystkie dotychczasowe badania i analizy wykorzystywa³y typowe w projektowaniu statków komercyjnych komputerowe œrodowiska wirtualne. Specyfika konstrukcji oraz wymagania eksploatacyjne OZM dotykaj¹ miedzy innymi problemów odpornoœci okrêtów wraz z wyposa eniem na oddzia³ywania udarowe min morskich. Ostatnie badania eksperymentalne dotycz¹ce odpornoœci udarowej konstrukcji okrêtowych przeprowadzono w Akademii Marynarki Wojennej w Gdyni w po³owie lat 70-tych ubieg³ego stulecia. Wspó³czesny rozwój metod modelowania numerycznego oraz technik pomiarowych skutkuje wnioskiem, e nasza obecna wiedza na temat odpornoœci udarowej jednostek bojowych oraz doboru rozwi¹zañ konstrukcyjnych i materia³owych jest absolutnie niewystarczaj¹ca. Wiêkszoœæ si³ morskich NATO badania odpornoœci udarowej traktuje szczególnie; s¹ one przedmiotem odbiorów technicznych zgodnie z standardami STANAG lub nawet bardziej rygorystycznymi, narzuconymi przez Dowództwa MW w fazie kontraktowej. Polska Marynarka Wojenna oraz biura konstrukcyjne maj¹ dostêp do dokumentów normalizacyjnych jednak e s¹ one jedynie zbiorem wymagañ i zaleceñ, a nie algorytmami obliczeñ lub zbiorem