Konstruiranje poroznih strukur

Raziskovalno delovanje programske skupine bo v naslednjem obdobju osredotočeno na celovito obravnavo poroznih struktur. Bistvena prednost poroznih struktur je izjemna možnost njihove prilagoditve za posamezne namene preko ustrezne izbire osnovnega gradiva in načrtovanja njihove poroznosti. Programska skupina bo v prihodnjem obdobju s kombinirano uporabo teoretičnih, analitskih, eksperimentalnih in računalniško-simulacijskih raziskovalnih metod obravnavala izbrane porozne strukture z namenom natančne inženirske karakterizacije njihovega obnašanja pod vplivom različnih dejavnikov, kar bo vodilo do novih konstrukcijskih priporočil za uporabo poroznih struktur v sodobni inženirski praksi. V tesnem sodelovanju s proizvajalci poroznih struktur/gradiv bo pripomogla k usmerjenemu razvoju proizvodnih tehnologij za izdelavo poroznih struktur z nadzorovano prostorsko spremenljivo poroznostjo. S prostorsko nadzorovano morfologijo in topologijo por lahko namreč odziv porozne strukture optimalno prilagodimo posameznim inženirskim potrebam. Razvojni potenciali so izjemni, kar smo že dokazali s predhodnimi napovedmi z uporabo računalniških simulacij.   Eksperimentalno karakterizacijo mehanskega obnašanja poroznih struktur bomo izvajali s celovitim programom eksperimentalnih preskusov osnovnega gradiva in izbranih poroznih struktur z namenom določitve parametrov, potrebnih za inženirski opis njihovih konstrukcijskih značilnosti. Zaradi pomanjkanja znanstvenih izsledkov se bomo v prihodnjem obdobju primarno osredotočili na razvoj metodologije in postopkov za eksperimentalno določanje utrujenostih parametrov poroznih gradiv pri ciklični dinamični obremenitvi. Cilj raziskovalnega dela je razvoj modela za napoved zanesljivosti in dobe trajanja poljubne porozne konstrukcijske komponente pri danih obratovalnih pogojih. Nadaljevali bomo tudi raziskave obnašanja poroznih struktur pri hitrih dinamičnih obremenitvah (udarec, eksplozija). V ta namen bomo vzpostavili ustrezna preizkuševališča.   Nadaljevali bomo z razvojem ustreznih metodologij geometrijske karakterizacije izbranih odprto- in zaprto-celičnih poroznih struktur iz različnih osnovnih gradiv, ki temeljijo na mikro računalniški tomografiji (mikroCT) vzorcev poroznih struktur, njihovi rekonstrukciji v CAD modele in  statistični analizi geometrijskih značilnosti z uporabo posebej razvitih tehnik. Z obsežnimi parametričnimi računalniškimi simulacijami bomo proučevali odziv numeričnih modelov poroznih struktur pri različnih pogojih obremenjevanja. Na osnovi eksperimentalnih in numeričnih rezultatov bomo sklepali o inženirskih sovisnostih in značilnostih obravnavanih poroznih struktur ter izdelali ustrezna konstrukcijska priporočila. Za namen določanja optimalnih lastnosti poroznih struktur za posamezne namene bomo nadaljevali z razvijanjem inteligentnega podpornega okolja za razvoj in analizo poroznih struktur ter njihovo uporabo v procesu konstruiranja.

Raziskovalno delo programske skupine je bistvenega pomena za razvoj znanosti iz več vidikov. Primarno zato, ker je raziskovalno delo usmerjeno v obravnavo sodobnih poroznih struktur, ki se v vedno večjem obsegu uporabljajo v sodobnih inženirskih in drugih konstrukcijah. Razvoj sposobnosti napovedovanje odziva poroznih struktur pri različnih vplivnih dejavnikih ter optimizacije njihove strukture sta bistvenega pomena za njihovo obsežnejšo uporabo v prihodnje. Prepletanje več področij raziskovalnega dela je usmerjeno v doseganje mednarodno primerljivih raziskovalnih rezultatov, ki sledijo evropskim in svetovnim raziskovalnim trendom, v nekaterih ozirih (nadzorovana prostorsko spremenljiva poroznost) pa jih celo postavljajo. Rezultati raziskovalnega programa so bistveno prispevali k napredku znanosti na področju geometrijske in mehanske karakterizacije poroznih struktur ter posledično vplivali na razvoj novih, naprednejših inženirskih poroznih struktur. Tehnološki napredek na področju proizvodnje poroznih struktur omogoča vse bolj nadzorovano morfologijo in topologijo poroznosti, kar bo s pridom izkoriščeno za gradnjo optimalnih inženirskih in drugih konstrukcij. Razvoj novih, večslojnih konstrukcij tekstilij s kontrolirano poroznostjo in izboljšanimi funkcionalnimi lastnostmi je novost v slovenskem prostoru, s čimer se skušamo hkrati postaviti ob bok razvitejšim svetovnim znanstvenim institucijam, ki že razvijajo tovrstne materiale. Na področju dimenzioniranja strojnih delov in konstrukcij iz poroznih struktur so bili v okviru raziskovalnega dela narejeni bistveni prispevki k znanosti z razvojem računskih modelov za napoved njihove nosilnosti, dobe trajanja in zanesljivosti. Razvito splošno orodje za samodejno vrednotenje geometrijskih parametrov poroznih struktur bo predstavljala izjemen napredek na področju analize poroznih gradiv. Novo razviti računalniški geometrijski in simulacijski modeli poroznih struktur ter izvedba obsežnih parametričnih računalniških simulacij na zmogljivem HPC strežniškem sistemu bodo prispevali k natančnejšemu poznavanju obnašanja poroznih struktur pod vplivom različnih dejavnikov, ki bodo nadalje služile za izdelavo konstrukcijskih priporočil. Ob ustrezni zasnovi inteligentnega podpornega okolja pričakujemo nova znanstvena odkritja tako na področjih aplikacije umetne inteligence, kot tudi na področju umetne inteligence same. Sledenje trendom na področju razvoja inteligentnih sistemov bo omogočilo nadaljnji razvoj aplikativnih rešitev na področju inženirskih ved.

Rezultati raziskovalnega dela programske skupine imajo velik pomen za regionalni in splošni razvoj stroke in inženirske prakse, saj je z načrtnim prenosom znanja slovenskim podjetjem omogočen dostop do znanja in najsodobnejših orodij za razvoj novih izdelkov poroznih struktur, s čimer bodo bistveno povečala svojo konkurenčno sposobnost. Izvedene karakterizacije raznih poroznih struktur in izdelana konstrukcijska priporočila za njihovo uporabo v povezavi z razvitim modulno inteligentnim podpornim okoljem omogočajo hiter in stroškovno sprejemljiv način razvoja in ciljno vodenega konstruiranja kakovostnejši in inovativnih izdelkov z visoko dodano vrednostjo, predvsem na področju avtomobilske industrije. V okviru programske skupine raziskovalno delujejo tudi mladi raziskovalci, s čimer prispevamo k vzgoji in izobraževanju vrhunskih kadrov. Z načrtovanim razvojem in usvojitvijo novih tehnologij izdelave poroznih struktur s spremenljivo poroznostjo v sodelovanju s programsko skupino bodo domači proizvajalci aluminijevih izdelkov postali strateški dobavitelj sodobnih aluminijeviih poroznih izdelkov in polizdelkov. Podobno je pričakovati na področju proizvodnje raznih polimernih izdelkov ter ploskih tekstilij, kjer je število potencialno zainteresiranih podjetij bistveno bolj obsežno. Raziskave na področju poroznih tekstilij bodo prispevale k ohranitvi delovnih mest tistih tekstilnih podjetij, ki so se prestrukturirala na področje tehničnih tekstilij. Porozna gradiva z nadzorovano in optimalno izdelano topologijo in morfologijo por je možno uporabiti tudi v medicini (npr. razni vsadki, oporni elementi ipd.), ki lajšajo težave starajočemu se prebivalstvu in prispevajo k aktivnemu staranju, kar je bistvenega pomena tako za slovensko kot tudi evropsko družbo. Dosedanji eksperimenti prav tako kažejo, da zapolnitev praznih prostorov v vozilu s poroznimi strukturami pripomore tudi k do dvakrat večji absorpciji deformacijske energije pri trku ob minimalni dodani masi, s čimer se posledično zmanjšajo pojemki potnikov v vozilu in se s tem poveča njihova varnost. Zaradi navedenega je raziskovalno delo, ki temelji na razvoju in karakterizaciji naprednih poroznih struktur tudi izjemnega družbenega pomena. Vpetost programske skupine v mednarodne raziskovalne povezave prispeva k promociji Republike Slovenije v svetu in mednarodni delitvi raziskovalnega dela, ki ga na nekaterih področjih tudi usmerja (geometrijska karakterizacija in zahtevne računalniške simulacije poroznih struktur).