Titlu Proiect:
STATOR inovator
Cod proiect:
PN-III-P3-3.6-H2020-2020-0171
Contract nr.:
60 din 01.09.2021
Durată Proiect:
12 luni
Valoarea totala a Contractului (Valoarea totală de la buget)
210.105,00 lei
Director de proiect :
Dr. Ing. Raluca Maier
Obiectivul proiectului:
Obiectivul general al proiectului vizează dezvoltarea de noi arhitecturi structurale de materiale compozite avansate, fabricarea utilizând tehnologii emergente şi validarea performanţelor, pentru componente de aviaţie: palete de stator ventilator, cu scopul creşterii performanţelor funcţionale, structurale, scăderii costurilor şi duratei procesului de fabricare, prin comparaţie cu tehnologiile tradiţionale (ex. autoclavă, VA-RTM).
Abstract : Proiectul vizează dezvoltarea de componente de aviaţie: palete de stator ventilator, cat mai usoare, cu performanţelor funcţionale si structurale optime, care raspund cerintelor legat de regimurile de functionare, validate la un nivel tehnologic TRL 4, si care integreaza noi arhitecturi structurale de materiale compozite avansate, fabricate utilizând tehnologii emergente de manufacturare aditivă, cu costuri si durată de fabricare scăzute, prin comparaţie cu tehnologiile tradiţionale (ex. autoclavă, VA-RTM). Dezvoltarea componentelor de aviatie pe parcursul implementarii proiectului urmeaza un proces logic, etapizat, pornind de la proiectarea geometrică, definirea arhitecturii structurale, furnizarea modelului CAD 3D, caracterizarea termo-mecanică la nivel de laborator si simulari numerice, efectuarea unui bilant al rezultatelor numerice si experimentale in vederea identificarii configuraţiei structurale optime, fabricarea paletelor de stator- Prototip(uri) Hardwar), testarea reperelor fabricate in diferite regimuri relevante, in corelare cu cele de funcţionare, interpretarea rezultatelor si realizarea analizei SWOT. Activitatea de Managemnt si diseminare are două componente majore: Managementul de proiect care vizeaza alocarea, monitorizarea ?i evaluarea resurselor proiectului, pe tot parcursul implementarii acestuia, �n corelare directă cu obiectivele proiectului, iar această sarcină îi revine directorului de proiect, si respectiv Diseminarea rezultatelor proiectului care este realizat prin implicarea intregii echipe de implementare a proiectului.
Studiul a urmarit dezvoltarea de noi arhitecturi structurale de materiale compozite, fabricarea utilizând tehnologii emergente de manufacturare aditivă ca o alternativa la metodele conventionale de fabricare şi validarea performanţelor, pentru componente de aviaţie vizate in cadrul proiectului: palete de stator ventilator, cu scopul creşterii performanţelor funcţionale, structurale, scăderii costurilor şi duratei procesului de fabricare, prin comparaţie cu tehnologiile tradiţionale.
In Etapa I a fost vizata dezvoltarea structurilor de aviatie vizate, urmand un proces etapizat, prezentandu-se proiectarea geometrică, modelul CAD 3D, dezvoltarea de noi solutii privind arhitectura structurala, fabricarea si prezentarea rezultatelor caracterizarii termo-mecanice a probelor reprezentative, materialelor/structurilor, la nivel de laborator si rezultatele simularilor numerice efectuate. Totodată, raportul redă un bilant al rezultatelor obtinute, identificandu-se configuraţiile structurale optime, ca date de intrare pentru Etapa II a proiectului.
Design-ul final al paletei de stator ventilator-profil de referinta NACA 7310
Vedere in sectiune a straturilor ce contin arhitecturile structurale dezvoltate: a) celula cilindru; b) celula cuboid
Rezultate incercari mecanice in regim static - incovoiere in 3 puncte ale configuratiilor structurale dezvoltate
Rezultatele Etapei I a proiectului au aratat faptul ca structurile bidimensionale cilindrice (CIBR) au prezentat o rezistenta mecanica in regim static (incovoiere in 3 puncte) net superioara comparativ cu celelalte concepte structurale dezvoltate.
In cadrul Etapei II a proiectului a fost definita geometria finala a matritei tehnologice, a reperului de aviatie vizat (la scara prototip în configuraţia structurala optima) dar si a matritei tehnologice (care s-a dorit a fi fabricata in cadrul proiectului atat din perspectiva validarii ipotezei utilizarii fabricatiei aditive dar si din prizma posibilitatii utilizarii acesteia in procesul de fabricare utilizand tehnologii conventionale pentru dezvoltarea reperelor din materiale compozite polimerice ranforsate). Ulterior, au fost descrise tehnologiile emergente, respectiv imprimarea 3D care utilizeaza tehnologia de printare DLP- Expunerea digitala a luminii (echipament achizitionat in cadrul etapei I a proiectului: Photocentric Liquid Crystal Magna), parametrii de proces si protocolul tehnologic de fabricare a paletelor de stator si a matritei, rezultand modelele experimentale care integreaza noi configuratii structurale (de tipul structuri celulare tridimensionale biomimetiece) dezvoltate in aceasta etapa a proiectului si care au facut obiectul cererii de brevet (A_00505_19.08.2022).
In cadrul etapei II au fost urmarite doua directii de cercetare, ambele urmarind identificarea unei metode optime de fabricatie prin includerea tehnologiei emergente de fabricatie aditiva :
- Prima directie a urmarit dezvoltarea structurilor celulare de la modelul bidimensional din Etapa I, catre o structura celulara tridimensionala, complexa, care sa raspunda cerintelor de imbunatatire topologica a paletelor de stator ventilator, fabricate aditiv.
- Cea de-a doua directia a urmarit realizarea matritei tehnologice, necesara fabricarii prin tehnologii de baza (autoclava, VARTM) a componentelor de aviatie din materiale compozite polimerice ranforsate, utilizand tehnologia de fabricatie aditiva pentru reducerea costurilor si a timpilor de fabricatie.
Proiectarea structurilor celulare optizate -8 configuratii
Structurile dezvoltate au urmarit modele intalnite in natura, realizandu-se astfel 5 configuratii de tip fulg de nea (Notate V1-V5), 2 configuratii care mimeaza zona spongioasa a osului (V6-V7) si o configuratie bidimensionala de fagure (V8) care a avut rol de referinta pentru a putea compara noile configuratii cu cele utilizate in prezent pentru structurile de tip sandwich.
Epruvetele pregatite pentru caracterizarea mecanica la incovoiere si compresiune a structurilor celulare au fost proiectate conform standardelor de testare pentru structuri de tip sandwich, fiind obtinute doua variante pentru fiecare concept. Cea dea doua varianta (Notate cu VV1-VV8) a reprezentat inchiderea structurii celulare la cele doua capete cu doua placi, care sa mimeze structurile de tip sandwich cu panouri, scopul fiind de a indentifica influenta adaugarii lor la structura celulara.
Testele initiale de fabricare aditiva a celulelor integrate in epruvete au dus la identificarea pozitionarii optime a acestora, la unghiuri de 30o, 60o si respectiv 90o in functie de concept.
Pozitionarea optima a epruvetelor pe patul de printare al echipamentului LC Magna
Fabricarea epruvetelor si etapele de postprocesare
Evaluarea performantelor mecanice
Din punct de vedere al performantelor mecanice, rezultatele au fost raportate la masa structurilor celulare, atat in cazul testelor de incovoiere in 3 puncte cat si de compresiune.
Rezultate teste la incovoiere
Rezultate teste la compresiune
Testele au indentificat conceptele V4 si V3 ca fiind superioare chiar si referintei V8 care reprezinta structura bidimensionala fagure utilizata in prezent in structurile de tip sandwich. Conceptele V1 si V2 au prezentat valori bune la compresiune si respectiv incovoiere, astfel putand fii luate in considerare pentru aplicatii mai specifice. Conceptul VV8 nu a putut fi integrat in structura reperului de aviatie sau a epruvetelor, cauza fiind constrangerea tehnologica.
Ulterior campaniei de testare mecanica in regim static mai sus redata, s-a ales integrarea tuturor conceptelor in structura paletei de stator ventilator si testarea lor in regim de incovoiere in 3 puncte. Testele au aratat ca optimizarea topologica a fost un succes, fiind atins pragul minim de 500 N la care acestea ar trebui sa reziste. Comparativ cu performantele mecanice obtinute la nivel de laborator, testarea in regim static a prototipurilor de palete de stator care integreazanoi arhitecturi structurale de rigidizare topologica, a aratat o scadere a rezistentei mecanice, datorata limitarilor tehnologice de imprimare 3D. Paletele de stator avand o grosime a profilului mica, au creat probleme in cadrul pasilor de postprocesare la cuptor, unde lumina UV nu a reusit sa patrunda si astfel a scazut propietatile mecanice finale ale materialului. Acest lucru poate fi evitat pentru structuri cu o grosime mai mare, dar si prin integrarea de benzi cu leduri in spectrul UV, care sa ajunga in cavitatile structurilor celulare.
Concept integrat V1 integrat in profilul paletei de stator ventilator
Concept integrat V2 integrat in profilul paletei de stator ventilator
Concept integrat V3 integrat in profilul paletei de stator ventilator
Concept integrat V4 integrat in profilul paletei de stator ventilator
Concept integrat V5 integrat in profilul paletei de stator ventilator
Concept integrat V6 integrat in profilul paletei de stator ventilator
Rezultatele testelor la incovoiere a profilelor paletei de stator ventilator care integreaza conceptele de structuri celulare dezvoltate
Fabricarea aditiva a matritelor tehnologice
Datorita limitarilor patului de printare, matrita finala a fost realizata din doua bucati, superioara si inferioara, fiecare avand 4 tronsoane care au fost imbinate si lipite. Scanarea 3D a matritei finale a aratat abateri cuprinse intre +1 si -1 mm care sunt considerate acceptabile acestea fiind in zone care nu prezinta interes din punct de vedere aerodinamic si nu influenteaza major eficienta acestora in mediul de functionare.
Finalizarea procesului de printare 3D a unui tronson
Scanarea 3D a celor doua matrite fabricate aditiv
SECTIUNEA: Echipamente si aplicatii software
Echipamentul de cercetare Imprimanta 3D LC Magna (Nr. Inventar/an: 110049/14.10.2021) echipata cu Statie de curatare Photocentric air wash L si Statie post reticulare Photocentric Cure L2 a fost achizitionat in Etapa I de implementare a proiectului.
Imprimanta 3D Liquid Crystal Magna
Echipamentul a fost utilizat folosind tehnologia Digital Light Processing, în procesul de dezvoltare a noilor arhitecturi structurale din materiale compozite pentru fabricarea reperelor de aviatie in cadrul proiectului (de tipul structuri celulare tridimensionale biomimetiece) care au facut obiectul cererii de brevet (A_00505_19.08.2022). Fabricarea utilizând tehnologii emergente de manufacturare aditivă (imprimare 3D) ca alternativă de inlocuire a fabricarii conventionale (ex. VA-RTM, autoclava) furnizează avantaje privind: eficientizarea resurselor umane, temporale, a costurilor si aliniindu-se totodată noilor tendinţe de reciclabilitate a materialelor. Totodata, echipamentul mai sus mentionat a fost utilizat in procesul de realizare a epruvetelor care au facut obiectul caracterizarii structurale, termo-mecanice din cadrul activitatii A2, si a paletelor de stator la scară prototip din cadrul activitatii A3 a proiectului. Soluţia de printare aditiva integreaza: software de preprocesare- pregătirea pieselor din modelele CAD, imprimanta 3D LC Magna, o staţie de curăţare şi una de post-reticulare pentru îndepartarea excesului de răşină respectiv, solidificarea pieselor realizate, asigurâ o soluţie completă de fabricare a paletelor de stator la scară prototip.
Echipamente de cercetare ce urmează a fi achiziţionate, necesare pentru derularea prezentului proiect. Echipamentul care va fi achiziţionat in Etapa I de implementare a proiectului este imprimanta 3D LC Magna, Photocentric, care va fi utilizată folosind tehnologia Digital Light Processing, în realizarea epruvetelor care fac obiectul caracterizarii structurale, termo-mecanice din cadrul activitatii A2, si a paletelor de stator la scară prototip din cadrul activitatii A3 a proiectului. Soluţia de printare aditiva integreaza: software de preprocesare- pregătirea pieselor din modelele CAD, imprimanta 3D LC Magna, o staţie de curăţare şi una de post-reticulare pentru îndepartarea excesului de răşină respectiv, solidificarea pieselor realizate, asigurând o soluţie completă de fabricare a paletelor de stator la scară prototip.