Etapa II

Proiectarea, realizarea şi testarea preliminară a materialelor prototipate cu cerneluri reactive. Optimizarea microstructurilor cu performanţe specifice pentru geometrii periodice şi stocastice.

Obiectivele din planul de realizare al proiectului prevăzute pentru anul 2021

În cadrul Etapei 2 cu titlul Proiectarea, realizarea şi testarea preliminară a materialelor prototipate cu cerneluri reactive. Optimizarea microstructurilor cu performanţe specifice pentru geometrii periodice şi stocastice au fost prevăzute în planul de realizare următoarele activităţi şi rezultate estimative verificabile.

Pentru întreaga etapă, rezultatele sunt stabilite astfel:

1. Definirea unor proceduri de referinţă pentru obţinerea materialelor tipărite cu cerneluri reactive.

2. Caracterizarea comportării mecanice a materialelor tipărite cu cerneluri reactive şi determinarea constantelor elastic ale acestora.

3. Proiectarea şi simularea numerică a microstructurilor cu geometrii stocastice şi periodice formate din constituenţi de rigiditate diferită. Definirea unor funcţii obiectiv care optimizează comportarea materialelor proiectate.

Activităţile desfăşurate de UPB prevăzute în planul de realizare sunt:

Activitatea 2.1

Determinarea experimentală a influenţei parametrilor de amestecare şi întărire a materialelor reactive prin caracterizarea preliminară a proprietăţilor mecanice

Rezultat estimativ verificabil:

Influenţa rezoluţiei de tipărire şi a temperaturii de tipărire asupra proprietăţilor materialelor obţinute prin tipărire cu cerneluri reactive

Activitatea 2.2

Caracterizarea calorimetrică a eşantioanelor cu şi fără nanoparticule de silica pentru diferite sisteme răşină/întăritor

În această etapă producătorul materialelor Joanneum Research din Austria nu a realizat încă materiale cu nanoparticule datorită dificultăţilor întâmpinate la printare.

Rezultat estimativ verificabil:

Determinarea temperaturii de tranziţie vitroasă Tg a materialelor printate

Activitatea 2.3

Dezvoltarea unor modele cu elemente finite pentru microstructuri stocastice şi periodice alcătuite din constituenţi moi şi rigizi

Rezultat estimativ verificabil:

Utilizarea algoritmului brute force în vederea stabilirii distribuţiilor de material care asigură proprietăţi efective (omogenizate) sau locale extreme

Activitatea 2.4

Încercări mecanice preliminare ale materialelor epoxidice realizate din cerneluri reactive cu nanoparticule fotoreactive şi microstructura controlată

Rezultat estimativ verificabil:

Caracterizarea mecanică a proprietăţilor materialelor tipărite cu cerneluri reactive

Activitatea 2.5

Încercări mecanice statice, de fluaj şi tribologice ale materialelor epoxidice prototipate cu nanoaditivi fotoreactivi şi calibrarea funcţiilor obiectiv pentru micromodele numerice periodice şi stocastice

Încercările tribologice revin partenerul din proiect INCAS S.A. Încercările la fluaj nu au fost realizate datorită dificultăţilor de realizare a dispozitivului experimental de încercare mecanică conceput special pentru epruvetele de dimensiuni mici realizate de partenerul austriac.

Rezultat estimativ verificabil:

Sinteză a rezultatelor obţinute experimental şi propunerea unor funcţii obiectiv care urmează să fie utilizate în tipărirea cu cerneluri reactive a materialelor cu proprietăţi îmbunătăţite

Activitatea 2.6

Diseminare rezultate

Rezultat estimativ verificabil:

Articole publicate în reviste şi comunicate la conferinţe internaţionale. Participarea la o şcoală de iarnă şi la un workshop organizate în cadrul unui proiect internaţional.

 Diseminare rezultate

În cadrul apelului H2020-WIDESPREAD-2018 se desfăşoară proiectul Structural Integrity and Reliability of Advanced Materials obtained through additive Manufacturing (SIRAMM), ocazie cu care unul dintre parteneri, Universitatea Politehnica Timişoara a organizat o şcoală de iarnă, desfăşurată în perioada 24-28 ianuarie 2021. La acest eveniment a participat, ca lector invitat, profesorul Constantinescu Dan Mihai. Acesta a prezentat online cursul „Experimental Fracture Mechanics”. Din echipa de cercetare a proiectului au participat un postdoctorand, Mocian Oana Alexandra, şi patru doctoranzi: Vlădulescu Florin, Indreş Andrei Ioan, Coropeţchi Iulian, Vasile Alexandru. Aceasta a fost o bună ocazie ca tinerii cercetători din cadrul proiectului să se familiarizeze cu domeniul tipăririi aditive.

Tot în cadrul acestui proiect, cu sprijinul a doi parteneri prezenţi ca entităţi de cercetare recunoscute internaţional la nivel EU, şi anume Norwegian University of Science and Technology (Norvegia) şi Universitatea din Parma (Italia), a fost organizat la Universitatea Politehnica Timişoara, în perioada 25-26.02.2021, evenimentul 1st Workshop on: Structural Integrity of Additively Manufactured Materials – SIAMM21. A fost prezentată oral de către drd. ing. Indreş Andrei Ioan lucrarea Bending behaviour of 3D printed sandwich beams with different types of core geometry. Ulterior a apărut un articol în revista online, Material Design & Processing Communications (indexată SCOPUS), cu referinţa

Indres A.I., Constantinescu D.M., Mocian O.A., Bending behavior of 3D printed sandwich beams with different core topologies. Mat Design Process Comm, 2021; 3:e252. https://doi.org/10.1002/mdp2.252

A mai fost publicat un articol bazat pe activităţile de cercetare desfăşurate de un postdoctorand şi un doctorand în anul 2020, publicat într-o revistă indexată WOS

Mocian O.A., Constantinescu D.M., Indreş A.I., Assessment on Energy Absorption of Foam Core Sandwich Panels Under Low Velocity Impact, Macromolecular Symposia, 2021; 396(1):2000300. https://doi.org/10.1002/masy.202000300

Aceste două articole sunt fără acknowledgement la acest proiect deoarece a fost necesară menţionarea unui alt proiect, Human Resources Development Operational Programme 2014-2020, finanţat de European Social Fund contract număr 36355/23.05.2019 HRD OP /380/6/13—SMIS Code: 123847, pentru raportarea activităţii de cercetare a postdoctorandului participant la proiect, dr. ing. Mocian Oana Alexandra.

În cadrul proiectului s-a realizat participarea la conferinţa Virtual 4th International Conference on Structural Integrity ICSI2021, organizată de Universitatea din Porto, care a avut loc online în perioada 30.08-02.09.2021. Au fost prezentate online două lucrări, cu primii doi autori doctoranzi, cu acknowledgement la proiect:

1. Stiffness Optimization Through a Modified Greedy Algorithm, autori: Coropeţchi Iulian, Vasile Alexandru, Sorohan Ştefan, Picu Cătălin Radu, Constantinescu Dan Mihai
2. A Simulated Annealing Algorithm for Stiffness Optimization, autori: Vasile Alexandru, Coropeţchi Iulian, Sorohan Ştefan, Picu Cătălin Radu, Constantinescu Dan Mihai

La fiecare dintre cele două articole, primii doi autori sunt doctoranzi şi membri în echipa de cercetare. Prezentarea orală a lucrărilor comunicate a fost făcută de primul autor şi înregistrarea prezentărilor este disponibilă pe youtube, într-un canal special creat de organizatorii conferinţei. Cele două lucrări pot fi urmărite online folosind link-urile:

166 – Stiffness optimization through a modified greedy algorithm – YouTube

185 – A simulated annealing algorithm for stiffness optimization – YouTube

Rezumatele lucrărilor au fost publicate la conferinţă în Book of Abstracts. Cele două lucrări în format extins sunt în proces de recenzie şi vor fi publicate în Procedia Structural Integrity, indexată WOS.

A mai fost publicat un articol în Romanian Journal of Technical Sciences. Applied Mechanics, indexată BDI, revistă editată de Academia Română:

Sorohan Şt., Constantinescu, D.M., Stress uniformization using functionally graded materials,  Ro. J. Techn. Sci. − Appl. Mechanics, Vol. 66, No. 2, P. 167−181, 2021, cu acknowledgement la proiect.

Încercările experimentale s-au desfăşurat în a doua parte a anului 2021 şi nu a existat timpul necesar pentru a publica rezultatele obţinute.

Echipamente utilizate pentru încercarea mecanică la tracţiune

Pentru încercările experimentale s-a folosit un sistem de măsurare a deplasărilor ce utilizează metoda corelării digitale a imaginii produs de firma Dantec Dynamic, numit Q-400 MicroDIC (mDIC) cu microscop Leica având lentile cu distanţa focală 50 mm şi camere de 5 megapixeli, având dedicată platforma software ISTRA4D, aşa cum se poate vedea în Fig. 4.1.

Dispozitivul cu ajutorul căruia se face testarea mecanică la tracţiune este amplasat în asa fel încât prin microscop să se poată măsura deformaţiile epruvetei fixate în dispozitiv şi care se vopseşte cu un fond de vopsea de culoare alba peste care se vopsesc picături fine de vopsea neagă care sunt identificaţi de soft ca pixeli unic identificabili în raport cu cei alăturaţi. Principiul metodei corelării digitale a imaginii (digital image correlation – DIC) nu este descris aici dar, în esenţă, softul poate măsura deplasările din plan ale epruvetei, putând fi analizată orice zonă din câmpul vizual, astfel fiind posibilă determinarea constantelor elastice ale materialului şi a curbei caracteristice. Observarea sub microscop permite stabilirea în detaliu a efectelor locale produse în timpul încercării la tracţiune.

Cu ajutorul unui dispozitiv de încercări la tracţiune, construit în departmentul de Rezistenta Materialelor, au putut fi testate epruvetele tăiate din eşantioanele trimise de Joanneum Research. Dispozitivul este prezentat în Fig. 4.1. Se foloseşte un traductor de forţă HBM cu 1000 N forţă maximă. Echipamentele care permit comanda dispozitivului sunt arătate în Fig. 4.2. Viteza de încărcare poate fi reglată cu ajutorul controlorului motorului. Semnalul primit de la traductorul de forţă este amplificat şi achiziţionat de o placă de achiziţie în timp real a sistemului Q-400, făcându-se o calibrare a forţei. Forţa măsurată este înregistrată împreună cu deplasarea măsurată cu sistemul DIC. Placa de comandă permite realizarea de încercări la tracţiune sau la compresiune. În aceste seturi de teste s-au făcut numai încercări la tracţiune. Pe baza deplasărilor măsurate prin DIC sunt apoi stabilite deformaţiile specifice pe direcţie longitudinală şi transversală.

Condiţiile de testare cu sistemul microDIC au fost :

• Viteza de încărcare: 1 mm/min;
• Forţa maximă în jurul valorilor de 200-250 N;
• Frecvenţa de achiziţie a datelor: 5 Hz;
• Dimensiunile faţetelor în analiza câmpului de deformaţii: 55×55 pixeli;
• Distanţa între mijlocul faţetelor în analiza câmpului de deformaţii: 53 pixeli, pentru a asigura o mai bună suprapunere a faţetelor.

În Fig. 4.3 se poate vedea epruveta fixată în dispozitivul de încercare montat sub microscop (Fig. 4.3a) şi, în detaliu, epruveta fixată între bacuri împreună cu traductorul de forţă. Prinderea epruvetei în bacuri se realizează cu ajutorul unor şuruburi care strând cele două bacuri şi trec printr-o gaură circulară realizată în epruvetă (Fig. 4.3b).

• 

•