Studenci - aktualności
fot. Dreamstime
Naukowcy z Akademii Górniczo-Hutniczej pracują nad czujnikami piezoelektrycznymi, których zadaniem będzie monitorowanie zużycia kompozytowych elementów w konstrukcjach lotniczych. To część projektu zrzeszającego kilkanaście europejskich podmiotów publicznych i prywatnych, którego celem jest wydłużenie okresu eksploatacji kompozytów używanych w samolotach, a co za tym idzie oszczędzenie energii niezbędnej do ich produkcji i zmniejszenie presji na środowisko naturalne.
Kompozyty termoplastyczne wzmacniane włóknami węglowymi coraz częściej zastępują w konstrukcjach lotniczych metale. Na korzyść kompozytów przemawia przede wszystkim porównywalna do metali wytrzymałość przy jednocześnie niższej masie, co przekłada się na mniejsze zużycie paliwa. Oznacza to nie tylko oszczędność dla linii lotniczych, ale też ograniczenie wpływu lotów na środowisko poprzez zmniejszenie emisji dwutlenku węgla. Obojętna dla środowiska nie jest również sama produkcja kompozytów – wymaga zużycia energii i surowców. Ograniczeniu tego zużycia sprzyja wydłużenie czasu eksploatacji części kompozytowych, co można osiągnąć poprzez optymalizację metod ich produkcji, kontroli i serwisowania. Taki cel stawia sobie konsorcjum, które tworzy 16 europejskich przedsiębiorstw z branży lotniczej i instytucji naukowych, w tym Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie.
Ideą wspólnego projektu, który otrzymał kryptonim „GENEX”, jest zsieciowanie ze sobą przy użyciu nowoczesnych technologii producentów kompozytów, przewoźników lotniczych i podmiotów odpowiedzialnych za serwis statków powietrznych. Jednym z kluczowych elementów tej wizji jest monitoring części kompozytowych w samolotach, który na bieżąco będzie dostarczał danych o ich zużywaniu się w trakcie eksploatacji. W ten właśnie segment projektu zaangażowani są uczeni z AGH, których zadaniem jest zaprojektowanie przeznaczonych do tego celu czujników piezoelektrycznych zintegrowanych ze strukturą kompozytów.
Wykryją usterki za pomocą ultradźwięków
Aby wykrywać niepożądane zmiany powstające w strukturze kompozytów, inżynierowie wykorzystają ultradźwięki.
– Będziemy próbowali wysłać falę z jednego punktu i odebrać ją w innym. Cechy takiej fali kształtowane są przez interakcje ze strukturą kompozytu, w które wchodzi na ścieżce od odbiornika do nadajnika. Jej charakterystykę dla nieuszkodzonego elementu możemy ustalić, dokonując eksperymentalnych pomiarów bądź posiłkując się jego cyfrowym modelem. Wszelkie późniejsze odstępstwa od tego wzoru mogą świadczyć o uszkodzeniach struktury kompozytu – opisuje zaangażowany w prace dr hab. inż. Paweł Paćko, profesor na Wydziale Inżynierii Mechanicznej i Robotyki AGH.
Zespół będzie musiał zmierzyć się z problemami, które wynikają z anizotropowej struktury materiałów kompozytowych. W tego typu strukturach właściwości fal ultradźwiękowych zmieniają się w zależności od kierunku, w którym się rozchodzą. Projektując specyfikację czujników, uczeni będą bazować na tzw. kompozytowych przetwornikach grzebieniowych wykonanych z włókien piezoelektrycznych. Urządzenia potrafią zarówno wyemitować, jak odebrać i przetworzyć falę akustyczną.
– Główną zaletą tego typu przetworników, w porównaniu do klasycznych głowic ultradźwiękowych, jest ich elastyczność i możliwość integracji ze strukturą kompozytu. Naszym zadaniem będzie zaprojektowanie urządzeń w taki sposób, aby ich konstrukcja umożliwiała „nasłuchiwanie” z konkretnego kierunku, co dzieje się z kompozytem – wyjaśnia naukowiec.
Gorące miejsca w samolocie
Za wyprodukowanie urządzeń o parametrach określonych przez uczonych z AGH będzie odpowiadać firma Smart Material GmbH (Niemcy), jeden z partnerów w projekcie.
Prof. dr hab. inż. Tadeusz Stepinski z Wydziału Inżynierii Mechanicznej i Robotyki, który nadzoruje prace realizowane na AGH, podsumowuje: – Ideałem byłoby stworzenie w samolocie sieci czujników, która odpowiadałaby układowi nerwowemu u ludzi. Kiedy odczuwamy ból, jest to dla nas sygnał, że z organizmem dzieje się coś niedobrego. Choć jednak urządzenia, które planujemy wykorzystać, charakteryzują niewielkie gabaryty i można je łatwo wkomponować w strukturę, to wymagają doprowadzenia zasilania elektrycznego. Tymczasem już teraz w samolotach montuje się ogromną ilość kabli, która istotnie wpływa na ich ciężar. Dlatego jesteśmy zmuszeni ograniczyć liczbę czujników, skupiając się na miejscach, gdzie występują duże naprężenia, które mogą uszkodzić materiał.
Pomogą cyfrowe bliźniaki
Pozyskanie informacji o powstawaniu uszkodzeń w strukturze kompozytów to jedno. Jak jednak wspomniano na wstępie, kluczem do sukcesu projektu jest jej efektywne przesyłanie, przetwarzanie i praktyczne wykorzystanie przez producentów, przewoźników lotniczych i serwisantów. Holistyczna wizja projektu imponuje swoim rozmachem.
Pomysłodawcy zakładają, że powstaną cyfrowe bliźniaki (ang. digital twins), czyli modele matematyczne i numeryczne, kompozytów używanych w konstrukcjach samolotów. Dzięki wykorzystaniu rozwiązań z obszaru internetu rzeczy będą one na bieżąco aktualizowane o informacje o ich zużyciu pochodzące z monitoringu prowadzonego przy użyciu czujników piezoelektrycznych. Za pomocą narzędzi informatycznych, w tym sztucznej inteligencji, będzie można ocenić ich lokalizację i wpływ na bezpieczeństwo, a tym samym ograniczyć liczbę regularnych i kosztownych naziemnych inspekcji. Cyfrowe odwzorowania ułatwią też pracę serwisantom. Dzięki technologii rozszerzonej rzeczywistości, po wyposażeniu ich w specjalne gogle, będzie można wskazać im miejsca wymagające uwagi oraz wyświetlić wskazówki ułatwiające wykonanie napraw. Na koniec wreszcie wytwórcy kompozytów, dzięki danym o ich zużyciu, będą w stanie wydłużyć czas ich eksploatacji poprzez nadzór i ewentualne modyfikacje procesu produkcyjnego.
Instytucje i firmy uczestniczące w projekcie
Za koordynację prac odpowiedzialny jest ITAINNOVA - Instituto Tecnológico de Aragón (Hiszpania). Do pozostałych interesariuszy, obok AGH i Smart Material GmbH, należą: Asociación de Investigación Metalúrgica del Noroeste (Hiszpania), Deutsches Zentrum fur Luft- und Raumfahrt (Niemcy), Fundación CIDETEC (Hiszpania), Innovation in Research & Engineering Solutions (Belgia), Research Center for Non Destructive Testing GmbH (Austria), École Nationale Supérieure d’Arts et Métiers (Francja), Altran Innovación SL (Hiszpania), Ingrid Cloud AB (Szwecja), Centre Suisse d’Électronique et de Microtechnique (Szwajcaria), GMI Aero (Francja), AERNNOVA Engineering Division (Hiszpania), EASN Technology Innovation Services BVBA (Belgium) oraz Ziegler Aerospace Limited (Wielka Brytania).
Przedstawiciele podmiotów odpowiedzialnych za realizację projektu „GENEX” podczas spotkania inauguracyjnego w ITAINNOVA - Instituto Tecnológico de Aragón w Hiszpanii
Projekt „GENEX” otrzymał dofinansowanie ze środków programu UE „HORIZON-CLP-2021” w ramach Horizon Europe.
Funded by the European Union. Views and opinions expressed are however those of the author(s) only and do not necessarily reflect those of the European Union or granting authority. Neither the European Union nor the granting authority can be held responsible for them.
Znikające lodowce - AGH NAUKA spotkania (nr 29) 
Projekty BG AGH z finansowaniem z programu „Społeczna odpowiedzialność nauki” 
