Spôsob výroby bunkových telies ovplyvňuje veľkosť a štruktúru buniek, tým pádom aj vlastnosti bunkového telesa. Štruktúry honeycomb sa prevažne vyrábajú z kovov, papiera a keramických materiálov ťahaním, formovaním profilov alebo odlievaním. Výroba trojrozmerných bunkových telies (pien) je závislá od voľby základného materiálu. Polymérové peny vznikajú prevažne chemickou reakciu vhodných prísad, zatiaľ čo pri kovových a keramických prevláda spracovanie roztaveného materiálu priamym vstrekovaním plynových bublín, primiešaním fyzikálnych speňovadiel alebo prášková metalurgia [1]. V tomto článku sú popísané niektoré z najpoužívanejších metód výroby bunkových telies.

1. Výroba štruktúr HONEYCOMB

Metóda HOBE (honeycomb before expansion)

Táto metóda sa používa, ak sa chce dosiahnuť relatívna hustota týchto materiálov menšia ako 0,1. Tenké kovové plechy sú najskôr strihané a poukladaná na seba. Potom sú po dĺžke pospájané v určitých rozstupoch. Takto spojené plechy sa režú na požadovanú hrúbku, kolmo na rovinu, v ktorej ležia spoje. V tomto smere sú následne ťahané, čím vznikne hexagonálna štruktúra buniek (obr. 1). Plechy sú spájané lepením, laserovým zváraním alebo difúznym procesom. [2, 3]

Obr. 1 Metóda HOBE [3].

Formovanie

Kovový plech je formovaný valcami a naskladaný na seba. Spojenie plechov sa vykoná najčastejšie zváraním a výsledný blok sa nareže na požadovanú hrúbku (obr. 2). Tvar buniek je najčastejšie šesťuholníkový, ale touto metódou sa vytvárajú aj štvorcové a trojuholníkové bunky. [3]

Obr. 2 Výroba štruktúr honeycomb formovaním [3].

Skladanie pásov

Pásy plechov, v ktorých sú vytvorené štrbiny, sú vkladané do seba (obr. 3). Nie je potrebné žiadne ohýbanie plechov, ale bunky majú iba štvorcový alebo trojuholníkový tvar. Takáto štruktúra sa potom zvára alebo pájkuje. Táto metóda sa používa aj pre krehké keramické materiály alebo kompozity. [3]

Obr. 3 Skladanie pásov do štruktúry honeycomb [3].

Strihanie a ohýbanie

Vzor bunkovej mriežky je vystrihovaný alebo vyrezávaný (laserom alebo vodným lúčom) z plechu. Plech sa potom ohýba do požadovaného tvaru (obr. 4). Nevýhodou tejto metódy je veľký odpad materiálu. [3]

Obr. 4 Vystrihovanie a ohýbanie bunkovej mriežky [3].

2. Výroba polymérových pien

Polyméry sú speňované pridaním plynných bublín do tekutého monoméru alebo horúceho polyméru. Tieto bubliny sa nechajú expandovať, stabilizovať a potom sa teleso ochladí aby stuhlo. Bubliny sa pridávajú mechanickým miešaním alebo primiešaním speňovacieho materiálu (speňovadla) do polyméru. Speňovadlo môže byť na báze fyzikálnej alebo chemickej.

Fyzikálne speňovadlá sú inertné plyny alebo uhlík, vodík a dusík. Tieto plyny sa vháňajú do horúceho polyméru pod vysokým tlakom a ich rast v materiály je riadený redukciou tlaku. Inou alternatívou je primiešanie do polyméru tekutiny s nízkym bodom varu (napr. chlórofluorované uhľovodíky alebo dichlórmetán). Tieto sa ohrevom odparia čím uvoľňujú plynové bubliny. Chemické speňovadlá sú prísady, ktoré sa teplom rozkladajú, alebo ktoré vzájomnou chemickou reakciou uvoľňujú plyny. Polymérové peny s nízkou hustotou možno taktiež vyrábať primiešaním polymérového gélu do tekutiny, ktorá sa následne nechá odpariť. Najviac používanými polymérovými penami sú peny polyuretánové (PUR), polystyrénové (EPS a XPS), polypropylénové (EPP) a polyetylénové (PE) .

Výroba polyuretánovej (PUR) peny

Polyuretánová pena vzniká reakciou dvoch alkoholových skupín: izokyanátov a polyolov. Používané izokyanáty sú obvykle zlúčeninami dusíka, toluénu, vodíka a formaldehydu. Polyoly sú zlúčeniny v rôznej forme pre rôzne typy pien: elastomery pre ťahané vlákna, estery a močoviny pre peny a povlaky. Proces výroby polyuretánovej peny prebieha nasledovne (obr. 5):

• Surové prísady sú uskladnené v nehrdzavejúcich kanistroch, kde sú premiešavané aby ostali tekuté. Ich teplota je udržovaná na hodnote, pri ktorej sú schopné spolu chemicky reagovať.
• Materiály sú pumpované do potrubí, kde spolu začnú chemicky reagovať. Predtým ako sa táto zmes dostane k zmiešavacej hlavici, polyuretán je už vyrobený.
• Kým sa začne polyuretán dávkovať na dopravný pás, je doňho v zmiešavacej hlavici pridávaný oxid uhličitý, ktorý stabilizuje jeho expandovanie.

Obr. 5 Linka na výrobu polyuretánovej peny [4].

Výroba expandovanej polystyrénovej peny (EPS)

Základnou surovinou na výrobu EPS je speňovateľný polystyrén vo forme perál, obsahujúci 6 – 7 % pentánu ako nadúvadla. Pentán je uhľovodík s nízkym bodom varu okolo 37 °C, ktorý nemá žiadne účinky na životné prostredie (ako napr. freóny). Perly sa vyrábajú suspenznou polymerizáciou monoméru styrénu a sú dodávané výrobcom penového polystyrénu v niekoľkých veľkostných skupinách od 0,3 do 2,8 mm, v závislosti na aplikácii. Styrén a pentán sú látky, ktoré sa bežne vyskytujú v prírode. Styrén sa dá nájsť aj v rôznych potravinách a pentán sa v prírode vytvára v značných množstvách, napr. v zažívacích systémoch zvierat alebo pri rozklade rastlinného materiálu v dôsledku pôsobenia mikroorganizmov. Obe tieto látky sa vyrábajú na priemyselné použitie z ropy.

Východzia surovina – tuhé biele granule obsahujúce nadúvadlo sú ohriate vodnou parou, vďaka čomu dôjde k splyneniu nadúvadla. Polystyrén vplyvom toho zväčší svoj objem až 50-násobne, pričom sa vo vnútri perál vytvorí uzavretá bunková štruktúra.. Následne sa vo forme vypení do potrebného tvaru – blokov. Predpenené a vyzreté bloky sú po vychladnutí rezané na požadované dosky, balené a exportované konečným odberateľom. [5]

3. Výroba kovových pien

Niektoré metódy výroby kovových pien sú podobné metódam výroby polymérových pien. Iné využívajú špeciálne vlastnosti kovov, akými sú schopnosť spekať kovy alebo schopnosť elektrického nanášania. Všetky metódy výroby kovových pien možno rozdeliť do štyroch skupín podľa stavu, v ktorom sa kov nachádza (obr. 6).

Obr. 6 Metódy výroby kovových pien [6].

Každá z metód má svoje obmedzenia, čo sa týka relatívnej hustoty a veľkosti buniek vyrobenej kovovej peny. Niektoré vytvárajú štruktúru pien iba s otvorenými bunkami, pri iných zase prevládajú bunky uzavreté. Komerčne sa využíva prevažne päť metód. [6, 7]

Vstrekovanie plynu do roztaveného kovu (HYDRO alebo CYMAT proces).

Je to priama metóda penenia roztaveného kovu. Pred samotným vstreknutím plynu sa musí do taveniny, najčastejšie ide o hliníkovú zliatinu, pridať materiál, ktorý zvýši jej viskozitu (karbid kremíka, oxid hlinitý alebo oxid horčíka). Proces vstrekovania plynu sa vykonáva pomocou špeciálneho rotora alebo vibračnej trysky. Ich úlohou je tvorba plynných bublín a ich rovnomerná distribúcia v tavenine. Veľkosť týchto bublín je ovplyvnená rýchlosťou prúdu plynu, rýchlosťou rotora, frekvenciou vibračnej trysky a inými parametrami. Z povrchu taveniny je pena následne na dopravníkovom páse ponechaná chladnutiu a následnému stuhnutiu. Pórovitosť takto vyrábaných pien je medzi 80 – 98 %, čo reprezentuje ich mernú hmotnosť medzi 0,069 – 0,54 g/cm³. Priemerná veľkosť buniek je medzi 3 – 25 mm a hrúbka ich stien je 50 – 85 m. [7]

Obr. 7 Schéma výroby hliníkovej peny vstrekovaním plynu do roztaveného kovu [7].

Primiešaním prísady na spenenie do roztaveného kovu (ALPORAS proces)

Kovové zliatiny môžu byť priamo spenené primiešaním prísady (speňovadla) do roztaveného kovu, ktorá pri ohreve uvoľňuje plyn a tým vytvára bubliny v roztavenom kove. Najčastejšie sa touto metódou vyrába hliníková pena, zmiešaním roztavenej hliníkovej zliatiny a speňovadla (zvyčajne TiH₂). TiH₂ sa pri teplote nad 465 °C rozkladá na titán Ti a vodík H₂. Vodík sa rýchlo uvoľňuje a v celom objeme vytvára uzavretú štruktúru buniek. Veľkosť buniek sa pohybuje od 0,5 – 5 mm v závislosti od obsahu TiH2 a podmienok pri chladnutí. Relatívna hustota takto vyrábaných pien je medzi 0,07 – 0,2. Použitie uhličitanov a dusičnanov ako speňovadla umožňuje výrobu pien aj zo železa, ocele a zliatin niklu. [7]

Obr. 8 Výrobný proces ALPORAS [7].

Primiešaním prísady na spenenie do kovového prášku (ALULIGHT proces)

Speňovadlo v tuhom stave sa dôkladne zmieša s kovovým práškom. Táto zmes sa potom za studena stláča do formy dosiek alebo tabúl, ktoré sa narežú na menšie časti. Tie sa vložia do formy a zahrejú na teplotu o málo väčšiu ako je teplota tavenia daného kovu. Speňovadlo začne vylučovať plyn, ktorý vytvorí uzavretú štruktúru buniek a speňovaný materiál vyplní celú formu – nadobudne jej tvar (čo môže byť tvar hotovej súčiastky). Tieto peny majú bunky veľkosti 1 – 5 mm a relatívnu hustotu pod 0,08. Táto metóda sa používa najmä na výrobu hliníkovej peny, speňovadlo je opäť TiH₂. [7]

Obr. 9 Výrobný proces ALULIGHT [7].

Liatím kovu do foriem s jadrom penovej štruktúry (DUOCEL proces).

Do formy je najskôr vložená polymérová alebo vosková pena s požadovanou veľkosťou buniek, ktoré musia byť otvorené. Forma je následne vyplnená jadrom, ktoré je tvorené pieskom alebo keramickou tekutou hmotou. Tým sa vyplnia duté miesta vo forme. Takto pripravená forma sa nechá vychladnúť. Opätovným zahriatím sa vypáli polymérová pena alebo vosk. Vo forme ostanú priechodné miesta, kde bol tento materiál a tým vznikne vzor pre štruktúru kovovej peny. Roztavený kov sa potom naleje pod tlakom do tejto formy a vyplní voľné miesta. Keramické alebo pieskové jadro sa potom odstráni a zostane už iba kovová pena s otvorenými bunkami. Veľkosť buniek je 1 – 5 mm a relatívna hustota je menšia ako 0,05. [7]

Obr. 10 Výroba kovovej peny liatím (proces DUOCEL) [7].

Nanášanie kovu na polymérovú bunkovú štruktúru (INCO proces).

Otvorená bunková štruktúra je tvorená polymérovou penou a tvorí vzor pre kovovú penu. Kov je na ňu nanášaný chemickým naparovaním alebo elektrickým nanášaním. Na obr. 11 je schéma výroby niklovej peny. Do formy s polymérovou penou je vháňaný tetrakarbonyl niklu Ni(CO)₄. Tento plyn sa pri teplote okolo 100 °C rozkladá na oxid uhoľnatý a nikel, ktorý obalí hrany buniek polymérovej peny. Infračerveným alebo elektrickým ohrevom sa potom vypáli polymérová pena a vyplaví sa ohriatym vzduchom. Zostane štruktúra kovovej peny s dutými hranami buniek, ktoré sa následne zhutnia. Hrúbka stien takýchto pien je 100 – 300 m a relatívna hustota je 0,02 – 0,05. [7]

Obr. 11 Výrobný proces INCO [7].

Literatúra

1. Gibson, L. J., Gibson and Ashby, M. F.: Cellular Solids – Structure and Properties, 2nd ed., Cambridge University Press, Cambridge, 1997
2. www.ipm.virginia.edu
3. www.temposro.eu
4. www.bayer.com
5. www.polynit.sk
6. BANHART, J.: Manufacture, characterisation and application of cellular metals and metal foams, Progress in Material Science, vol. 46, pp. 559-632, 2001
7. Ashby, M.F., Evans, A.G., Fleck, N.A., Gibson, L.J., Hutchinson, J.W., Wadley, H.N.G.: Metal Foams: A Design Guide, Boston: Butterworth-Heinemann, 2000