Materiały ceramiczne powstają z proszków, zmieszanych z lepiszczem lub środ-

kami smarnymi, ewentualnie poddawanych granulacji i, podobnie jak proszki me-
tali, prasowaniu matrycowemu lub izostatycznemu (tabl. 9.45). Dzięki dodatkom
wody proszki ceramiczne zachowują się jak ciała plastyczne i mogą być formowa-
ne metodami zbliżonymi do stosowanych dla metali, w tym przez prasowanie lub
prasowanie izostatyczne. W przypadku kształtów dwuwymiarowych bardzo dużą

9. Podstawy metodologii projektowania materiałowego

1420

produktów i ich elementów

Tablica 9.40

Wpływ warunków nanoszenia powłok TiN, Ti(C,N) i TiC w procesie magnetronowym PVD na ich własności
(według W. Kwaśnego)

Grubość,

µ

m

≤4

>4÷5,5

>5,5÷7

>7

Twardość, HV0,05

≤2500

>2500÷3000

>3000÷3500

>3500

Moduł sprężystości wzdłużnej, GPa

≤400

>400÷500

>500÷600

>600

Przyczepność, N

≤25

>25÷50

>50÷75

>75

Odporność erozyjna, s/

µ

m

≤4

>4÷8

>8÷12

>12

Stężenie Al, % atom.≤4

>4÷6

>6÷8

>8

Ti+TiN

440

100% N

2

Ti+Ti(C

x

N

1-x

)

75% N

2

+ 25% CH

4

Ti+Ti(C

x

N

1-x

)

50% N

2

+ 50% CH

4

Ti+Ti(C

x

N

1-x

)

25% N

2

+ 75% CH

4

Ti+TiC

100% CH

4

Ti+TiN

500

100% N

2

Ti+Ti(C

x

N

1-x

)

75% N

2

+ 25% CH

4

Ti+Ti(C

x

N

1-x

)

50% N

2

+ 50% CH

4

Ti+Ti(C

x

N

1-x

)

25% N

2

+ 75% CH

4

Ti+TiC

100% CH

4

Ti+TiN

560

100% N

2

Ti+Ti(C

x

N

1-x

)

75% N

2

+ 25% CH

4

Ti+Ti(C

x

N

1-x

)

50% N

2

+ 50% CH

4

Ti+Ti(C

x

N

1-x

)

25% N

2

+ 75% CH

4

Ti+TiC

100% CH

4

Typ powłoki

Temperatura

procesu, °C

Atmosfera robocza

Grubość,

µ

m

Przyczepność, N

Moduł sprężystości

wzdłużnej, GPa

Twardość, HV0,05

Odporność erozyjna,

s/

µ

m

Stężenie Al, % atom.

9 roz 9-11-02 13:46 Page 1420

9.3. Zależność projektowania materiałowego

1421

i technologicznego produktów i ich elementów

Rysunek 9.73

Ogólna klasyfikacja
procesów łączenia
materiałów

9 roz 9-11-02 13:46 Page 1421

9. Podstawy metodologii projektowania materiałowego

1422

produktów i ich elementów

Tablica 9.41

Metody łączenia możliwe do zastosowania dla różnych zestawień materiałów

( )

Łączone

materiały

Metale

Elastomery

Termoplasty

Duroplasty

Materiały

ceramiczne

Cement

i beton

Szkło

Drewno

Papier

Skóra

Tkaniny

Metale

Elastomery

Termoplasty

Duroplasty

Materiały
ceramiczne

Cement
i beton

Szkło

Drewno

Papier

Skóra

Tkaniny

połączenia mechaniczne, w tym szycie,

lutowanie twarde i miękkie,

spawanie – metale i polimery,

zaprawy cementowe wodne i podgrzewane,

klejenie,

szkło/ceramika – uszczelnienia metalowe – szkła,

połączenie dyfuzyjne,

połączenie przez walcowanie,

połączenie z udziałem rozpuszczalnika.

9 roz 9-11-02 13:46 Page 1422

9.3. Zależność projektowania materiałowego

1423

i technologicznego produktów i ich elementów

Tablica 9.42

Procesy spawania stosowane dla różnych metali i stopów

Spawane metale

Procesy spawania

MAG

TIG

PŁK

MIG

E

EŻ

LT

G

Aluminium

Mosiądze

Brązy

Miedź

Miedzionikiel

Tytan

Wolfram

Cynk

Ołów

Magnez

Inconel

Nikiel

Nowe srebro

Monel

Metale szlachetne

Żeliwo ciągliwe i sferoidalne

Pyros

Stal niskowęglowa

Stal niskostopowa

Stale wysoko- i średniowęglowe

Stale stopowe

Stale austenityczne

Stale narzędziowe

zalecane lub łatwo spawalne,

możliwe, ale wybór nienajlepszy lub spawalne z przygotowaniem,

możliwe zastosowanie, ale niepopularne, niewskazane lub trudność w spawaniu,

nie zalecane lub niespawalne.

spawanie topliwą elektrodą

metalową w osłonie

gazów aktywnych

spawanie nietopliwą elektro-

dą wolframową w osłonie

gazów obojętnych

spawanie

plazmowe

spawanie

łukiem krytym

spawanie topliwą elektrodą

metalową w osłonie

gazów obojętnych

spawanie elektrodą

otuloną

spawanie

elektrożużlowe

lutowanie

twarde

spawanie

gazowe

9 roz 9-11-02 13:46 Page 1423

wydajność zapewnia wyciskanie. Formowanie z użyciem szablonu obrotowego jest
właściwe wyłącznie dla materiałów ceramicznych. Zwiększenie dodatku wody
umożliwia odlewanie gęstwy do form gipsowych. Zmieszane z gumą materiały ce-
ramiczne mogą być wtryskiwane do form w procesach technologicznych zapewnia-
jących uzyskanie kształtu zbliżonego do końcowego lub odlewane w taśmy, następ-
nie walcowane i obrabiane jak analogiczne elementy metalowe. W kolejnych eta-
pach następuje suszenie i usuwanie środków smarujących i z kolei w procesach

9. Podstawy metodologii projektowania materiałowego

1424

produktów i ich elementów

Tablica 9.43

Ogólna charakterystyka procesów spawalniczych

Charakterystyka

Proces

Spawane elementy

Prąd

Koszt

Produkcja

Spawanie w osłonie
gazów aktywnych
elektrodą topliwą
MAG

Σ

stale

(1,5)

3

8÷10

>25

+

40

lub

70

30÷
800

1÷6

kg/h

R

Spawanie
elektrodą
otuloną

Σ

stale
nisko-
węglowe

1,5

3÷6

>15

+

40

lub

70

30÷
800

0,02÷

1,5

R/A

Spawanie
łukiem
krytym

Σ

stale
nisko-
węglowe

5

40

>200

+

25÷

55

300÷
2500

0,1

÷5

A

Spawanie w osłonie
gazów obojętnych
elektrodą topliwą
MIG

Σ

stale,
Al, Cu

0,5

5

>25

–

20÷

40

lub

70

70÷
700

0,2÷

15

Spawanie w osłonie
gazów obojętnych
elektrodą nietopliwą
TIG

Σ Σ

0,2

5

>6

–

60÷

150

100÷

500

0,02÷

1,5

Spawanie
wiązką
elektronów

Σ Σ

0,05

75

–

...

...

30÷

175

kV

0,05

÷1

0,2÷

2,5

Spawanie
acetylenowo-
tlenowe

Σ

żeliwo,
stale

0,6

10

>20

–

...

...

...

0,3÷

0,6

kg/h

R

Oznaczenia: poziom: bardzo duży, duży, średni, mały, bardzo mały,
+ tak, – nie, R – ręcznie, A – automatycznie,

~

prąd przemienny, prąd stały,

Σ

– wszystkie materiały.

materiał

preferowany

materiał

grubość min.,

mm

liczba pojedynczych ściegów,

maks.

liczba wielokrotnych ściegów,

maks.

trudność przy spawaniu ze

zmienną grubością maks., mm

odkształcenia

potrzeba obrotów

usuwanie żużla

typ

napięcie, V

natężenie, A

wyposażenie

robocizna

wykończanie

umiejętności operatora

szybkość spawania,

m/min

obsługa

R/A

R/A

R/A

9 roz 9-11-02 13:46 Page 1424

9.3. Zależność projektowania materiałowego

1425

i technologicznego produktów i ich elementów

Rysunek 9.74

Ogólna klasyfikacja
procesów technologicznych
stosowanych dla materiałów
ceramicznych i szkła

9 roz 9-11-02 13:46 Page 1425

wysokotemperaturowych odpowiednio spiekanie w stanie stałym lub witryfikacja
z częściowym przetapianiem.

W niektórych procesach dokonuje się izostatycznego prasowania na gorąco,

spiekania reaktywnego, któremu towarzyszą reakcje chemiczne, lub bezpośrednie-
go osadzania materiałów ceramicznych na metalowym lub ceramicznym podłożu
metodami chemicznego (CVD) bądź fizycznego (PVD) osadzania z fazy gazowej.

Ze względu na możliwość pękania w wyniku udarów cieplnych konieczne jest

kontrolowanie szybkości chłodzenia w trakcie realizowania tych procesów. Mate-
riały ceramiczne są zwykle twarde, wobec czego ostateczną obróbkę wykończającą
wykonuje się poprzez szlifowanie przy użyciu najtwardszych materiałów ściernych,
w tym diamentu syntetycznego lub regularnego azotku boru. Powszechnie stoso-
wane są również metody obróbki laserowej lub wiązką elektronową.

W przeciwieństwie do krystalicznych materiałów ceramicznych szkła są utwo-

rzone przez trójwymiarową sieć tlenków, zwykle SiO

2

modyfikowanego przez inne

tlenki. Szkła są metastabilnymi, przechłodzonymi cieczami o bardzo dużej lepko-
ści i o własnościach sprężysto–kruchych. Powyżej temperatury granicznej T

g

szkła

przechodzą w materiał lepkosprężysty, podczas rozciągania formowany bez lokali-
zacji szyjki, co umożliwia bardzo łagodne zakończenie obrabianych powierzchni.

9. Podstawy metodologii projektowania materiałowego

1426

produktów i ich elementów

Tablica 9.44

Ogólna charakterystyka procesów wytwarzania materiałów ceramicznych

Charakterystyka

Proces

Obrabiany element

Koszt

Produkcja

Prasowanie
na gorąco

R0, 1, B, S, T0,

1, F0÷2, 6, 7, Sp

0,01÷100

1

tydzień

5÷10

10÷100

Prasowanie
izostatyczne

R, B, S, T0÷2, 4,

7, F0÷4, 6, 7, Sp

0,05÷300

1

tydzień

1÷10

1÷10

Prasowanie
na sucho

R, B, S, T0÷2, 4,

7, F0÷4, 6, 7, Sp

0,05÷50

1

tydzień

1

100÷1000

Obróbka
plastyczna

Σ

0,02÷30

2

dzień

1÷10

10÷100

Odlewanie
grawitacyjne

Σ

0,05÷200

1

dzień

5÷60

1

Wtryskiwanie

Σ

0,02÷5

1

tydzień

1

1000

Walcowanie

R0, B0, S0, F0

bez

ograniczeń

0,25

dzień

ciągły

...

Wyciskanie

Σ

bez

ograniczeń

1

tydzień

ciągły

...

Oznaczenia: poziom: bardzo duży, duży, średni, mały, bardzo mały;

Σ

– wszystkie kształty.

kształt według

tablicy 9.24

masa,

kg

najmniejszy

wymiar, mm

wyposażenie

narzędzie

robocizna

kwalifikacje

operatora

czas przyuczenia

czas cyklu, min

minimum

produkcyjne, szt.

9 roz 9-11-02 13:46 Page 1426

Tafle szklane są wykonywane przez:
wylewanie na powierzchnię roztopionej cyny, przy wysokich wymaganiach ja-
kościowych,
ciągnienie pionowe lub poziome, w razie niskich i średnich wymagań jakościo-
wych,
walcowanie z następną obróbką zapewniającą płaskość i odpowiednią gładkość
powierzchni (obecnie nie stosowane ze względu na zbyt niską jakość produk-
tów).
Rurki i włókna szklane wykonuje się przez ciągnienie w temperaturze wyższej

od T

g

. Wata szklana jest wytwarzana przez przędzenie w wysokiej temperaturze.

Butelki i bańki żarówek produkuje się przez automatyczne wydmuchiwanie za po-
mocą sprężonego powietrza, a m.in. wyroby stołowe i szkło optyczne są wykonywa-
ne przez wytłaczanie w prasach. Specjalne procesy osadzania z fazy gazowej wy-
magane są do produkcji prętów o bardzo dużej czystości przeznaczonych do cią-
gnienia włókien szklanych.

Szybkość chłodzenia we wszystkich procesach wytwarzania i obróbki szkła mu-

si być starannie kontrolowana, zarówno po wyżarzaniu usuwającym naprężenia we-
wnętrzne, jak i po hartowaniu zapewniającym naprężenia ściskające w warstwie
powierzchniowej. Analogiczne efekty powoduje wymiana jonów na powierzchni.
W końcowej fazie produkcji szkła są obrabiane przez szlifowanie, co ułatwia ich re-
latywnie niska twardość, jak również przez wytrawianie, głównie z użyciem HF.

Szkła są również powszechnie stosowane jako emalie na metalach oraz jako gla-

zury na materiałach ceramicznych.

9.3. Zależność projektowania materiałowego

1427

i technologicznego produktów i ich elementów

Tablica 9.45

Porównanie metod formowania materiałów ceramicznych

Metoda formowania

Charakterystyka

Kształtowanie na mokro

Kształtowanie plastyczne

Formowanie na sucho

Wielkość elementów

Złożoność kształtów

a

b

c

d

e

f

Plastyczność

Tolerancja wymiarowa

Trudności technologiczne

Wielkość produkcji

Wydajność produkcji

Powierzchnia zakładu

Koszty wyposażenia

a – tylko cienkie arkusze, b – jednolity przekrój, c – kształty symetryczne osiowo, d – wielkość ograniczona przez wypalanie
środków segregujących, e – mała i średnia wielkość, f – duże elementy o złożonym kształcie.
Poziom: bardzo wysoki, wysoki, średni, niski, bardzo niski.

odlewanie

grawitacyjne

odlewanie

ciśnieniowe

odlewanie

taśm

wyciskanie

prasowanie

kształtowanie

obrotowe

wtryskiwanie

prasowanie

na sucho

prasowanie

izostatyczne

na zimno

9 roz 9-11-02 13:46 Page 1427

Ceramika szklana, zwana też dewitryfikatorami lub pyroceramiką, otrzymywana

jest w procesach dewitryfikacji (odszklenia) w wyniku krystalizacji masy szklanej
w sposób umożliwiający utworzenie struktury bardzo drobnoziarnistej, bez poro-
watości z pozostałością ok. 2% fazy szklistej.

PROCESY TECHNOLOGICZNE

STOSOWANE DLA MATERIAŁÓW POLIMEROWYCH

W porównaniu do metali materiały polimerowe cechują się znacznie większą

różnorodnością zachowań, co jest często dodatkowo komplikowane przez obec-
ność cząsteczek i włókien wzmacniających. Niemniej jednak występują znaczne
podobieństwa między procesami technologicznymi stosowanymi dla materiałów
polimerowych oraz dla metali i szkieł. Różnice są związane z cząsteczkową, a nie
atomową, strukturą materiałów polimerowych. Procesy te zestawiono na rysunku
9.75, a ich charakterystykę przedstawiono w tablicy 9.46.

9. Podstawy metodologii projektowania materiałowego

1428

produktów i ich elementów

Rysunek 9.75

Ogólna klasyfikacja procesów technologicznych stosowanych dla materiałów polimerowych

9 roz 9-11-02 13:46 Page 1428

Materiały polimerowe termoplastyczne (termoplasty) są wytwarzane w postaci

granulatu i cechują się trwałą zdolnością przechodzenia w temperaturze podwyż-
szonej powyżej wartości granicznej T

g

w stan plastyczny. Po ochłodzeniu zachowu-

ją kształt nadany im podczas nagrzewania. Stosuje się dla nich procesy technolo-
giczne formowania wtryskowego oraz wytłaczania (tabl. 9.47).

Materiały polimerowe utwardzalne (duroplasty) ulegają nieodwracalnemu usie-

ciowaniu pod wpływem nagrzewania (materiały termoutwardzalne) lub czynników
chemicznych (materiały chemoutwardzalne). Cechują się trwałą strukturą, unie-
możliwiającą ich uplastycznienie w podwyższonej temperaturze. Polimery termo-
utwardzalne po pierwszym stadium polimeryzacji w podwyższonej temperaturze
i przez stosunkowo krótki czas (faza B) mogą jednak być kształtowane, zanim
przebiegnie drugie stadium polimeryzacji. Mogą być wobec tego stosowane dla
nich procesy prasowania, chociaż również formowania wtryskowego i wytłaczania
(tabl. 9.48).

9.3. Zależność projektowania materiałowego

1429

i technologicznego produktów i ich elementów

Tablica 9.46

Ogólna charakterystyka procesów przetwórstwa materiałów polimerowych

Charakterystyka

Proces

Elementy

Koszt

Produkcja

Prasowanie
tłoczne

P, S

D

Σ

(0,8)

1,5

tydzień

20÷600

100÷1000

Prasowanie
przetłoczne

P

D

Σ

(0,8)

1,5

tydzień

10÷300

10÷1000

Formowanie
wtryskowe

P

.

.

.

Σ

0,4 T,

1 D

tydzień

10÷60

1000

Wyciskanie

T

...

Σ

0,4

tydzień

10÷60

10000

Odlewanie

P, S

D

Σ

4

dzień/

tydzień

...

1

Termoformowanie
próżniowe

T

.

.

.

T4, F4,

7

<1

dzień/

tydzień

10÷60

10÷1000

Termoformowanie
ciśnieniowe

T, S

...

T4, 5;

F4, 5, 7

<1

dzień/

tydzień

(1) 10÷60

10÷1000

P – materiały polimerowe, T – termoplasty, D – duroplasty, S – szkło,

Σ

– wszystkie.

Poziom: bardzo wysoki, wysoki, średni, niski, bardzo niski.

materiał

zalecany materiał

kształt według

tablicy 9.24

minimalny wymiar,

mm

wyposażenie

narzędzia

robocizna

umiejętności

opanowanie

produkcji

czas cyklu, s

minimalna skala,

szt.

9 roz 9-11-02 13:46 Page 1429

9. Podstawy metodologii projektowania materiałowego

1430

produktów i ich elementów

1430

1

6

7

8

9

2

5

3

4

10

11

14

16

9 roz 9-11-02 13:46 Page 1430

9.1. Rola projektowania materiałowego w projektowaniu

1431

inżynierskim produktów i procesów ich wytwarzania

1431

W wyklejce okładki książki „Codex Atlanticus”, zawierającej projekty Leonarda da Vinci znaleziono szkic, który do
złudzenia przypomina dzisiejszy rower z napędem łańcuchowym (1), jak się sądzi nakreślony ręką samego
Mistrza, chociaż mógł to uczynić któryś z Jego uczniów. Jak wiele pomysłów genialnego wynalazcy i ten został
zapomniany. W roku 1680 częściowo sparaliżowany zegarmistrz Stephan Farlfler zbudował w Altdorfie
w Niemczech trójkołowy pojazd poruszany siłą mięśni. W roku 1817 badeński inspektor lasów Karl Friedrich Drais
von Sauerbronn wychodząc z założenia, że przesuwanie środka ciężkości przez poruszającego się pieszego
wymaga niepotrzebnego zużywania energii, skonstruował pojazd zwany „welocypedem” umożliwiający
poruszanie się za pomocą nóg na siedzeniu umocowanym na dwóch kołach. W roku 1820 Brytyjczyk Denis
Johnson wykonał welocyped zwany „Hobby-Horse”, a w roku 1822 Anglik Louis Gompertz w welocypedzie
Draisa zastosował dźwignię ręczną z przekładnią zębatą, która napędzała przednie koła. W roku 1839 szkocki
kowal Kirkpatrick MacMillan zbudował pierwszy rower z pedałami, przez układ dźwigni napędzającymi tylne koła
(2). W 1853 roku niemiecki konstruktor narzędzi Phillipp Moritz Fisher w Obersdorfie k. Schweinfurtu montuje
pedały bezpośrednio do osi koła przedniego, drewnianego dwukołowego pojazdu o żelaznych obręczach.
W latach 1860-1861 niezależnie od siebie francuski budowniczy napędów Pierre Michaux oraz kowal
i budowniczy karoserii Pierre Lallement z Pont-a-Mousson ponownie wynajdują napęd pedałowy na przednie koło,
a Pierre Michaux z synem Ernestem prowadzą w Paryżu od roku 1855 dużą fabrykę dwukołowców. Nauczyciel
gimnastyki ze Stuttgartu Johann Trefz stosuje napęd na tylne koła, a z jego inicjatywy powstaje pierwsza
w Niemczech „Velocipede-Fabrik C.F. Mueller”. W USA F. Estell w Richmond w Indianie i Calvin Witty
w Brooklynie w Nowym Yorku udoskonalają napęd MacMillana. 5 listopada 1869 roku na międzynarodowej
wystawie Velo przedstawiono wiele rozwiązań konstrukcyjnych, w tym całkowicie metalowe dwukołowce, ramy
rurowe, żelazne obręcze ze szprychami i opony z lanej gumy, hamulce koła przedniego, które to rozwiązania
zadecydowały o dalszym postępie w tej dziedzinie. Rower wysokościowy o średnicy koła przedniego do 250 cm
okazał się z czasem złym i niebezpiecznym pomysłem. Największym bodaj osiągnięciem tej wystawy był
wynalazek Gilmeta-Meyera, tylne koło napędzane pedałami, za pomocą łańcucha. W latach 1873-1879 Anglik
Harry John Lawson sprzedaje „Safety” bezpieczny rower z kołową przekładnią łańcuchową, znany pod
francuską nazwą „bicyclette”, lecz niedoskonały ze względu na dysproporcje wymiarów kół - dużego przedniego
i małego tylnego, natomiast w roku 1876 wytwórca butów Thomas Shergold z Gloucester zbudował bezpieczny
rower z dwoma kołami o jednakowej średnicy i z napędem łańcuchowym na tylne koło. W roku 1885 John Kemp
Starley uruchomił produkcję trzeciej z konstrukcji nazwanych „Wędrowiec - Rover III”, z ramą trapezową, typową
dla współczesnych rowerów. W roku 1888 irlandzki chirurg weterynaryjny John Boyd Dunlop ponownie odkrył
oponę pneumatyczną, która wprawdzie była już wynaleziona w roku 1845 przez Anglika Williama Thomsona,
jednak nie znalazła wówczas zastosowania. J.B. Dunlop wykonał taką oponę do trójkołowca swego syna Johna,
a następnie do rowerów „pneu-bicycles”, na którym rajdowiec W. Hume wygrywa wyścigi w roku 1899. W roku
1891 w „Scientific American”, przedstawiając produkcję rowerów w firmie Victor w Chicopee w Massachusetts
stwierdzono, że „każdy ruch mechanika lub maszyny służy wytworzeniu końcowego produktu i nie zużywa się
tam energii bez pożytku”. W wyniku tego cena roweru zmniejszyła się ze 150 dolarów (równoważna cenie konia)
w roku 1893, przez 80 dolarów w roku 1897, do 3

÷

15 dolarów w roku 1902. Pomimo, że Henry'ego Forda uważa

się powszechnie za wynalazcę produkcji wielkoseryjnej, wynalazek ten stosowali praktycznie wytwórcy
rowerów w firmie Victor o ponad 20 lat wcześniej.

12

13

15

17

18

19

20

9 roz 9-11-02 13:46 Page 1431

9. Podstawy metodologii projektowania materiałowego

1432

produktów i ich elementów

1432

21

22

27

25

28

29

26

23

24

c.d.

9 roz 9-11-02 13:46 Page 1432

9.1. Rola projektowania materiałowego w projektowaniu

1433

inżynierskim produktów i procesów ich wytwarzania

1433

Współcześnie rowery wytwarza się z bardzo wielu nowoczesnych materiałów inżynierskich. Ramy mogą być
wytwarzane ze stali stopowej Cr-Mo, bardzo często są wykonywane ze stopów aluminium spawanych metodą
TIG (tungsten inert gas) nietopliwą elektrodą wolframową w osłonie gazów obojętnych, jako odlewane
ze stopów magnezu, jako spawane w komorach wypełnionych argonem - ze stopów tytanu, a bardzo często
z materiałów kompozytowych o osnowie polimerowej, wzmacnianych włóknami aramidowymi, bardzo często
z wykorzystaniem technologii oplatania lub przetłaczania reakcyjnego VRTM (vacuum resin transfer molding),
a w modelach wyczynowych także wzmacnianych włóknami węglowymi. Inne elementy również są wytwarzane
z różnych materiałów, w tym często z materiałów kompozytowych. Umożliwia to minimalizację masy rowerów,
która może w rekordowym rozwiązaniu na świecie nie przekraczać 900 g. Takie rowery (3) (4) gwarantują
znakomite osiągnięcia. Wśród współczesnych rowerów wyróżnia się rowery górskie MTB (mountain bike)
o dużych 26-calowych kołach, a wśród nich hardtail (5) (6), full suspension o pełnej amortyzacji obu kół (7) (8)
(9), downhill do zjazdów (10) (11) (12), w tym także firmy Peugeot, na którym pobito światowy rekord prędkości
w zjeździe 212,139 km/h (12), BMX o 20 calowych kołach (13), szosowe o 28-calowych kołach i kierownicy
o kształcie baranich rogów (14)

÷

(20), trekking, będący połączeniem roweru szosowego z górskim, zwykle

z bagażnikiem i błotnikami, stosowany do rekreacji i wypoczynku (21), miejski z ramą zwykle bez prostej górnej
rury (22), a także cruiser (23) z założenia przeznaczony do jazdy po plażach, ale obecnie często stosowany do
jazdy po ścieżkach i drogach asfaltowych, o charakterystycznie wygiętej ramie i zakrzywionej kierownicy.
Wymienić należy również rowery specjalne, np. tzw. konferencyjny (21), do jazdy w pozycji półleżącej (25),
a także trójkołowy rower, jako jeden z tych, które wprowadzono zamiast taksówek do poruszania się w centrum
Berlina (26), oraz młodzieżowe i dziecięce (27). Elementy rowerów wytwarzane są z różnych dostępnych
materiałów inżynierskich (28)

÷

(35), a do ich wytwarzania stosuje się najnowocześniejsze technologie (36) (37)

(38) (39) i złożone metody badawcze, w tym stanowiskowe (39). Kaski rowerowe są wytwarzane z najlepszych
dostępnych materiałów kompozytowych (40).W niektórych wielkich miastach, np. w Holandii lub w Chinach (41)
rowery, szczególnie w lecie, stały się głównym środkiem transportu, chroniąc mieszkańców przed zagrożeniem
środowiska spalinami, a na parkingach pojawiają się nawet dziesiątki tysięcy tych pojazdów.

31

32

34

33

38

39

35

36

41

40

37

9 roz 9-11-02 13:46 Page 1433

PROCESY TECHNOLOGICZNE

STOSOWANE DLA MATERIAŁÓW KOMPOZYTOWYCH

Materiały kompozytowe są wykonane z dwóch lub więcej materiałów, które za-

chowując swoją odrębność wykazują wzajemne połączenia między sobą. Stąd
wszelkie pokrycia i powłoki na materiałach metalowych, polimery wzmocnione
włóknami i liczne materiały ceramiczne mogłyby być uznawane za materiały kom-
pozytowe. Zwykle jednak pojęcie materiałów kompozytowych jest zawężone do
materiałów utworzonych przez osadzenie długich lub ciągłych włókien w osnowie:

polimerowej,
metalowej,
ceramicznej.
W każdym przypadku krytycznymi aspektami są: wytrzymałość połączeń mię-

dzy osnową a zbrojeniem i przeniesienie do niego naprężeń.

9. Podstawy metodologii projektowania materiałowego

1434

produktów i ich elementów

Tablica 9.47

Ogólna charakterystyka procesów wytwarzania stosowanych dla termoplastycznych materiałów polimerowych

Proces

Charakterystyka

Ciśnienie
robocze, MPa

15÷45

20

15

5

20

20

20

1

1

1

0,1

0

0,1

Obciążenie
maksymalne, MN

30

30

30

15

30

30

30

10

10

30

Maksymalny
wymiar, m

2

0,75

1,5

2

3

1,5

1,5

1,5

2

6

6

–

–

–

Ograniczenie
ciśnienia

Użebrowanie

Korpusy

Pionowe ściany

–

Kształty kuliste

Przekroje
zamknięte

Wydrążenia

Spawalność

Dwustronnie
dobre wykończenia

Zmienność
przekroju

Oznaczenie: tak, nie stosowane, nie.

Wtryskiwanie

Prasowanie

wtryskowe

Wtryskiwanie

z wydrążeniami

Wtryskiwanie

pianek

Nawarstwianie

Prasowanie

przetłoczne

Prasowanie

tłoczne

Wytłaczanie

Rozdmuchiwanie

Kształtowanie

płytowe

Prasowanie

płytowe

Termoformowanie

Przędzenie

włókien

Odlewanie

odśrodkowe

9 roz 9-11-02 13:47 Page 1434

Materiały kompozytowe o osnowie polimerowej są wzmacniane długimi włók-

nami, np. szklanymi, węglowymi, borowymi.

Procesy wytwarzania (rys. 9.76) różnią się między sobą głównie sekwencją ope-

racji, jak i dopuszczalnymi wielkościami oraz złożonością, kształtem wytworzonego
elementu. W wielu przypadkach podzespół zmontowany z kilku elementów wyko-
nanych ze stopów metali można zamienić jednym elementem z materiału kompozy-
towego o osnowie polimerowej. Wśród stosowanych procesów można wyróżnić:

nasączanie żywicami (maczanie),
formowanie wtryskowe,
przeciąganie.

9.3. Zależność projektowania materiałowego

1435

i technologicznego produktów i ich elementów

Tablica 9.48

Ogólna charakterystyka procesów wytwarzania stosowanych dla termoutwardzalnych materiałów polimerowych

Proces

Charakterystyka

Ciśnienie
robocze, MPa

60

6÷
20

1

5

4÷
10

0,5

÷5

0,1

0

100

30

3

1

0,1

2

0,5

1

Obciążenie
maksymalne, MN

30

30

30

30

30

30

10

30

30

10

10

30

30

Maksymalny
wymiar, m

2

0,5

4÷

5

–

6

3

6

–

–

0,1

1

6

–

–

–

–

3

–

Ograniczenie
ciśnienia

Użebrowanie

Korpusy

Pionowe ściany

Kształty kuliste

Przekroje
zamknięte

Wydrążenia

Spawalność

Dwustronnie
dobre wykończenia

Zmienność
przekroju

–

Oznaczenie: tak, nie stosowane, nie.

Prasowanie proszku

Prasowanie płytowe

Prasowanie na zimno

Prasowanie w temperaturze

podwyższonej

Prasowanie między płytami

o wysokiej wytrzymałości

Nasączanie (maczanie)

Formowanie próżniowe

Formowanie kontaktowe

Wtryskiwanie litych elementów

Wtryskiwanie proszku

Prasowanie

Wtryskiwanie reakcyjne

Prasowanie ciągłe żywic

Szybkobieżne prasowanie ciągłe

żywic lub szybkie ich wtryskiwanie

Spiekanie poliuretanu

Wzmocnione pianki

Nawijanie spiralne włókien

Przeciąganie

9 roz 9-11-02 13:47 Page 1435

Procesy technologiczne materiałów kompozytowych z osnową polimerową

scharakteryzowano w tablicach 9.49 i 9.50.

Częściej osnowa kompozytów jest metalowa, głównie z aluminium lub magnezu,

chociaż stosuje się również tytan, miedź, nadstopy z włóknami wzmacniającymi,
którymi mogą być bor, wolfram, włókna ceramiczne, jak SiC lub Al

2

O

3

lub grafito-

we. Stosuje się dla nich procesy właściwe dla materiałów polimerowych, takie jak
nasączanie, albo właściwe dla metali, takie jak odlewanie ciśnieniowe, walcowanie
na gorąco, łączenie dyfuzyjne. W przypadku umocnienia włóknami krótkimi niecią-
głymi, stosowane są odlewanie, wyciskanie na gorąco, kucie i techniki metalurgii
proszków. W tablicy 9.51 przedstawiono ogólną charakterystykę procesów techno-
logicznych stosowanych dla materiałów kompozytowych z osnową metalową.

W przypadku materiałów kompozytowych o osnowie węglowej, włókna węglo-

we są osadzone w osnowie węglowej, wytwarzanej przez pirolizę żywicy lub smo-
ły. Kształty są tworzone przez nasączanie lub infiltrację form z włókien. Ogólną
charakterystykę odpowiednich procesów technologicznych przedstawiono w ta-
blicy 9.52.

9. Podstawy metodologii projektowania materiałowego

1436

produktów i ich elementów

Rysunek. 9.76

Ogólna klasyfikacja procesów technologicznych stosowanych dla materiałów kompozytowych
o osnowie polimerowej

9 roz 9-11-02 13:47 Page 1436

9.3. Zależność projektowania materiałowego

1437

i technologicznego produktów i ich elementów

Tablica 9.49

Procesy technologiczne wytwarzania w formach zamkniętych materiałów kompozytowych z osnową z żywicy

Proces

Żywica

Wzmocnienie

Układ

włókien

Utwardzanie

Kształtowanie półfabrykatów

Prasowanie
przetłoczne

materiał do prasowania lamina-
tów zbrojonych, produkt sypki

krótkie włókna

równoległy do
powierzchni formy

Tłoczenie

materiał do prasowania lamina-
tów zbrojonych, produkt sypki
lub w arkuszach

krótkie włókna

równoległy do
powierzchni formy

Przetłaczanie
żywicy

wtrysk pełnej żywicy
pod ciśnieniem

półfabrykat lub mata,
prelaminat, półfabrykat
płaski lub przestrzenny

równoległy do powie-
rzchni formy i powie-
rzchni wzmocnienia

Kształtowanie z materiału płynnego

Wtryskiwanie

żywica, płyn, proszek, granulki,
kryształy, materiał do praso-
wania laminatów zbrojonych

krótkie włókna

równoległy do
powierzchni formy

Wyciskanie

żywica, płyn, proszek, granulki,
kryształy, materiał do praso-
wania laminatów zbrojonych

krótkie włókna

równoległy do
wewnętrznej
powierzchni otworu
formy

Wtryskiwanie z
reakcją chemiczną

płynne substraty
żywiczne, utwardzacze

krótkie włókna, proszek,
kryształy włoskowate

równoległy do
powierzchni formy

Formowanie elementów cienkościennych

Rozdmuchiwanie

kształtka z żywicy z zagłębie-
niem, podgrzewanie rurą

proszek

równoległy do
powierzchni formy

Formowanie
obrotowe

płynna żywica

proszek, kryształy
włoskowate

równoległy do
powierzchni formy

Odlewanie
z gęstwy

półpłynna żywica

proszek, kryształy
włoskowate

równoległy do
powierzchni formy

Inne

Formowanie
piankowe

płynna żywica ze środkiem
porotwórczym

krótkie włókna

równoległy do
powierzchni formy

Formowanie z tra-
conym rdzeniem

płynna żywica, stopiony wosk,
pył ceramiczny

proszek, kryształy
włoskowate

równoległy do
powierzchni formy

Termo-
formowanie

żywica, materiał do prasowania
laminatów zbrojonych,
produkt w arkuszach

krótkie włókna,
pocięte włókna

równoległy do
powierzchni formy

*

Zakres ciśnienia:

niskie ≤100 kPa,

wysokie ≤100 MPa.

średnie 100÷1725 kPa,

Zakres temperatury:

niska 20÷165°C,

średnia 165÷190°C,

wysoka 190÷205°C,

bardzo wysoka 205÷815°C.

Oznaczenie:

tak,

nie.

Wypełniacz

Termoplastyczne

Termoutwardzalne

temperatura

ciśnienie

*

9 roz 9-11-02 13:47 Page 1437

Osnowę ceramiczną materiałów kompozytowych stanowią: szkło, tlenek alumi-

nium, krzemionka lub azotek krzemu. Materiały te wzmocnione są metalami żaro-
odpornymi, jak molibden, wolfram, tantal i niob lub włóknami węglowymi, bądź
wiskerami ceramicznymi SiC. Można stosować m.in. prasowanie na gorąco, praso-
wanie i spiekanie, odlewanie, metalizację natryskową.

Procesy technologiczne stosowane dla materiałów kompozytowych z osnową

ceramiczną scharakteryzowano w tablicy 9.53.

9. Podstawy metodologii projektowania materiałowego

1438

produktów i ich elementów

Tablica 9.50

Procesy technologiczne wytwarzania w formach otwartych materiałów kompozytowych z osnową z żywicy

Proces

Żywica

Wzmocnienie

Układ

włókien

Utwardzanie

Wypełniacz

Termoplastyczne

Termoutwardzalne

temperatura

ciśnienie

Zakres ciśnienia:

niskie ≤100 kPa,

Zakres temperatury:

niska 20÷165°C,

Oznaczenie:

tak,

średnie 100÷1725 kPa,
średnia 165÷190°C,
nie.

wysokie ≤100 MPa.
wysoka 190÷205°C.

Trzpień z ruchomą formą

Nawijanie
włókien

zwilżone włókna, nawijanie,
taśma z materiału do praso-
wania laminatów zbrojonych

taśma z jednokierunko-
wych włókien ciągłych

wielokierunkowy,
równoległy
do trzpienia

Oplatanie

impregnacja wilgotną żywicą
po nawijaniu

włókna ciągłe

równoległy do oplata-
nej powierzchni
formy, włókna
wielokierunkowe

Owijanie taśmą
z tkaniny

taśma z materiału do praso-
wania laminatów zbrojonych

ciągła tkanina
(o szerokości taśmy)

wielokierunkowy,
równoległy do powie-
rzchni trzpienia

Trzpień z nieruchomą formą

Nakładanie
ręczne

płynny materiał
do prasowania laminatów
zbrojonych

włókna,
maty z tkaniny,
krótkie ciągłe

przypadkowy,
równoległy do
powierzchni formy

Natryskiwanie

płynna

pocięte krótkie włókna

przypadkowy,
równoległy do
powierzchni formy

przypadkowy,
równoległy do
powierzchni formy

Prasowanie
ciągłe

impregnacja włókien wilgotną
żywicą podczas przeciągania
ich przez matrycę

ciągłe włókna,
mata z włókien

równoległy
do płyty formy

Laminowane
płytki, rury

materiał do prasowania
laminatów zbrojonych

mata z włókien, tkani-
na (jednokierunkowa,
w kierunku włókien)

równoległy do
powierzchni formy

Odlewanie
czystej żywicy

płynna żywica

proszek, krótkie
włókna

Kalandrowanie

półpłynna żywica, katalizator,
utwardzacz

włókna, proszek

równoległy do
powierzchni formy

9 roz 9-11-02 13:47 Page 1438

9.3. Zależność projektowania materiałowego

1439

i technologicznego produktów i ich elementów

Tablica 9.51

Procesy wytwarzania materiałów kompozytowych z osnową metalową

Proces wytwórczy

Materiał osnowy

Materiał wzmocnienia

Metoda zagęszczania

Kształtowanie ostateczne

Metalurgia proszków

Proces metalurgii
proszków

sproszkowane aluminium,
tytan lub stal nierdzewna

sproszkowany
węglik krzemu

temperatura,
ciśnienie i spiekanie

wyciskanie, walcowanie
arkuszy i płyt, kucie

Obrotowe trzpienie

Jednoczesne natryski-
wanie roztopionej
osnowy i kryształów
włoskowatych SiC na
obracający się trzpień

stopione aluminium,
tytan lub
stal nierdzewna

sproszkowany węglik
krzemu lub jego kryszta-
ły włoskowate

ciśnienie strugi

obrót trzpienia,
skrawanie

Nawijanie włókien
z materiałem osnowy
z włókien i sprosz-
kowanej żywicy

sproszkowane aluminium,
tytan lub stal nierdzewna,
żywica (termoplastyczna,
termoutwardzalna)

włókna metalowe (alumi-
nium, tytan lub stal nie-
rdzewna) sprasowane z
żywicą, osnowa proszkowa

ciśnienie
i temperatura
na trzpieniu

przyjmuje kształt
po nawinięciu,
pokrywane
powierzchniowo

Nawijanie włókien
i natryskiwanie
roztopioną osnową
metalową

sproszkowane aluminium,
tytan lub stal nierdzewna,
materiał osnowy wpro-
wadzony pod ciśnieniem
pomiędzy warstwy włókien

włókna metalowe lub
włókna sztuczne (bor, SiC,
szkło aluminiowe, węgiel),
włókna nawinięte
na trzpieniu

łączenie w wysokiej tem-
peraturze pod ciśnieniem,
zdejmowanie z trzpienia
w postaci arkuszy i formo-

wanie do właściwego kształtu

przyjmuje postać
po ostatecznym
ukształtowaniu
i pokrywaniu
powierzchniowym

Spajanie na gorąco pod ciśnieniem / dyfuzyjne

Na gorąco, formowa-
nie metalu / wzmoc-
nionych włókien

folia lub cienkie arkusze
aluminium, tytanu lub
stali nierdzewnej

szkło, węgiel, bor, grafit
– zależnie od tempera-
tury topnienia metalu

temperatura kształtowa-
nia, ciśnienie we wnętrzu
zamkniętego próżniowe-
go pieca retortowego

skrawanie
i obróbka
wykończająca

Spajanie dyfuzyjne

cienka folia aluminiowa,
tytanowa lub ze stali
nierdzewnej

włókna metalowe lub
włókna sztuczne (bor,
szkło aluminiowe,
węgiel)

nawinięcie na rurze stalo-
wej, umieszczenie w
szczelnym metalowym
pojemniku i poddanie
działaniu próżni, ciśnie-
nie izostatyczne w piecu

skrawanie
i obróbka
wykończająca

Spajanie wielokrotne
pod ciśnieniem na
gorąco i dyfuzyjne

cienka folia aluminiowa,
tytanowa lub ze stali
nierdzewnej, folia
metalowa

włókna metalowe lub
włókna sztuczne (bor,
szkło aluminiowe,
węgiel)

cienkie arkusze z włókien
metalowych spojonych
dyfuzyjnie, arkusze kształ-
towane w stanie nadplasty-
cznym za pośrednictwem
temperatury i ciśnienia

skrawanie i obróbka
wykończająca

Półfabrykaty skompresowane i zagęszczane

Skompresowany
półfabrykat w piecu
CVD

węgiel otrzymywany
w procesie pirolizy
wprowadzany do pół-
fabrykatu w piecu CVD

wzmocnienie półfabryka-
tu z ceramiki, metalu lub
włókien sztucznych, w
postaci cząstek, kryszta-
łów nitkowych, krótkich
lub długich włókien

ciśnienie, przedmuchi-
wanie gazem obojętnym,
przemiana temperatu-
rowa gazu organicznego
w warstwę węgla i H

2

skrawanie i obróbka
wykończająca

Skompresowany
półfabrykat w
roztopionej osnowie
metalowej

roztopiony metal
wciskany, wprowadzany
z użyciem próżni lub
zwilżający wzmocnienie
półfabrykatów

wzmocnienie półfabry-
katu z ceramiki, metalu
lub włókien sztucznych,
w postaci cząstek, krysz-
tałów nitkowych, krótkich
lub długich włókien

łączenie w wyniku dzia-
łania temperatury,
ciśnienia i czasu

kucie, wyciskanie lub
walcowanie, skrawanie
i obróbka wykończająca

9 roz 9-11-02 13:47 Page 1439