Współczesna gospodarka, kładąca nacisk na innowacyjność i zarządzanie wiedzą sprawia, że nakłady na prace badawcze i rozwojowe są jednym z najistotniejszych elementów decydujących o rozwoju przedsiębiorstwa. Wychodząc naprzeciw tym oczekiwaniom, Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych (ITWL) wystąpił z pomysłem zbudowania wysoce wyspecjalizowanego zaplecza laboratoryjnego, niezbędnego do prowadzenia prac badawczo-rozwojowych, służących do opracowywania i badania nowych, innowacyjnych materiałów dla przemysłu lotniczego, jak również sektorów wysokiej technologii. Projekt zrealizowano poprzez zorganizowanie w ramach struktury ITWL centrum Krajowego Ośrodka Badawczego Inteligentnych Materiałów Kompozytowych.

Zgodnie z zamysłem ITWL Krajowy Ośrodek Badawczy Inteligentnych Materiałów Kompozytowych (KOBIMK) to jednostka działająca na rzecz lokalnego otoczenia przemysłowego jako tzw. współdzielone laboratorium badawczo-rozwojowe dla zleceniodawców z sektora małych, średnich, jak i dużych przedsiębiorstw. Już wstępna analiza rynku przeprowadzona wśród firm z obszaru Mazowsza potwierdziła, że istnieją uzasadnione potrzeby utworzenia w województwie takiej jednostki badawczej, która będzie pełnić funkcję centrum transferu wysokiej technologii do podmiotów komercyjnych, których z racji posiadanego budżetu nie stać na budowę własnych laboratoriów.

Głównym celem badawczym, który ma być zrealizowany w KOBIMK, jest opracowanie inteligentnego poszycia dla statku powietrznego ze zintegrowaną w powłoce kompozytowej warstwą komunikacyjną oraz niezbędnymi czujnikami wielkości fizycznych. Wzorem dla tego poszycia są obserwacje natury zaczerpnięte ze struktury układu krwionośnego czy unerwienie skóry ludzi i zwierząt (podejście bioniczne, biomimetyka, bionika). Wprawdzie materiały kompozytowe są od wielu lat szeroko stosowane w lotnictwie i kosmonautyce, to jednak materiały kompozytowe z własną autonomiczną inteligencją służącą do samodiagnozy ewentualnych uszkodzeń, predykcji wystąpienia błędu a przede wszystkim z rozbudowanymi warstwami komunikacji o dużej przepustowości dla strumieni informacji oraz odporności na awarie wynikającą z możliwości wykorzystania ścieżek redundantnych, stanowią podejście naprawdę innowacyjne.

Maszyny wytrzymałościowo-zmęczeniowe serii Acumen. Fot. ITWL

Utworzony w KOBIMK zespół laboratoriów dostarczy narzędzi do skoordynowanych prac nad nowymi technologiami materiałów inteligentnych zawierających w sobie medium sensoryczno-transmisyjne, czyli tzw. „poszycie sensoryczno-transmisyjne”. Urządzenia do badań wytrzymałościowych będą wykorzystywane w zakresie naukowym oraz do współpracy z przemysłem w zakresie badawczym podczas seryjnej produkcji. W zakresie naukowym, będą prowadzone badania w konsorcjach naukowych z jednostkami badawczymi zajmującymi się chemiczną oraz fizyczną modyfikacją włókien mającą na celu osiągnięcie określonych właściwości. Urządzenia pozwolą także na weryfikację wytrzymałości zmodyfikowanych materiałów na potrzeby prowadzonej działalności ITWL w zakresie produkcji specjalnych kompozytowych elementów lotniczych oraz napraw struktur kompozytowych i metalowych z wykorzystaniem kompozytów.

Laboratorium wytrzymałościowe KOBIMK skupia się na dwóch obszarach:

- charakteryzacji właściwości wytrzymałościowych materiałów kompozytowych – wyznaczane parametry służą ocenie materiału na etapie jego projektowania, kontroli jakości oraz symulowania zachowania konstrukcji wykonanych z danego materiału;

- badaniach na potrzeby prac nad rozwojem czujników i systemów monitorowania konstrukcji inżynierskich (SHM – Structural Health Monitoring) – wykorzystując wiedzę i doświadczenie w zakresie zmęczenia materiałów, w kontrolowany sposób inicjowane i propagowane są pęknięcia zmęczeniowe w celu weryfikacji wskazań czujników.

Z kolei Laboratorium kompozytowe umożliwi m.in. stworzenie nowego lotniczego kompozytu z funkcją transmisji danych, opartego na bazie kompozytu epoksydowo-węglowego (CFRP – Carbon Fiber Reinforced Plastic). Zapewnione będzie także przetestowanie inteligentnych struktur laminarnych i sandwich, z rdzeniem komórkowym, jakie występują np. w półskorupowych konstrukcjach statków powietrznych.

CFRP z racji tego, że zawiera włókna węglowe, jest przewodnikiem prądu elektrycznego, dlatego też konieczne będzie odizolowanie warstw transmisyjnych od warstw wytrzymałościowych, za pomocą warstw nieprzewodzących prądu elektrycznego. Jako warstwy izolacyjne zastosowany zostanie kompozyt epoksydowo-szklany (GFRP – Glass Fiber Reinforced Plastic).

KOBIMK posiada pełne kompetencje do rozwoju systemów monitorowania konstrukcji w oparciu o zastosowanie czujników piezoelektrycznych PZT. Czujniki PZT, dzięki swoim właściwościom, pozwalają na wzbudzanie oraz rejestrację w strukturze fal sprężystych. Uszkodzenia konstrukcji, niezależnie od ich rodzaju, wiążą się zawsze z lokalną zmianą jego właściwości mechanicznych, co wpływa m.in. na sposób propagacji fal sprężystych w uszkodzonym obszarze. Dlatego przetworniki piezoelektryczne mogą być uniwersalnie wykorzystane do monitorowania stanu struktury. Zastosowanie piezoelektryków w systemach SHM obejmuje m.in. tzw. pasywne techniki monitorowania, gdzie są one stosowane do rejestrowania fal sprężystych wzbudzonych przez zdarzenia mogące spowodować powstanie uszkodzeń (np. uderzenia) lub powstałych poprzez uwalnianie energii podczas rozwoju uszkodzeń struktury (np. pęknięć zmęczeniowych). Sieci przetworników piezoelektrycznych można również wykorzystać w sposób aktywny – do wzbudzania fal sprężystych, które propagując w strukturze mogą oddziaływać z uszkodzeniami.

Zadaniem KOBIMK, utworzonego w ramach struktur ITWL, będzie opracowanie i badanie nowych innowacyjnych materiałów dla przemysłu lotniczego oraz sektorów wysokiej technologii. Fot. ITWL

Ponadto KOBIMK dysponuje skanującym wibrometrem laserowym, umożliwiającym bezkontaktowy pomiar sygnatur wibracyjnych elementów drgających. Wykorzystanie urządzenia umożliwia uzyskanie widma wibracji w szerokim zakresie częstotliwości, jak również przestrzenne odwzorowanie poszczególnych modów drgań struktur. Stanowisko doposażono we wzbudnik modalny pozwalający na precyzyjną kontrolę wymuszeń mechanicznych struktur, w celu uzyskania precyzyjnych charakterystyk widmowych. Wibrometr doposażono także w moduł optyczny pozwalający na pomiar charakterystyk elementów w małej skali, np. głowic pomiarowych sond ultradźwiękowych, co umożliwia optymalizację ich konstrukcji. Zastosowanie skanującego wibrometru laserowego wraz z przetwornikami PZT pozwala na pomiar pełnego pola fal sprężystych propagujących w danej strukturze. Analiza zjawisk falowych pozwala na optymalizację geometrii sieci sensorów PZT, które mogą służyć do monitorowania stanu inteligentnych struktur kompozytowych, a także do oceny nieniszczącej konstrukcji. Dodatkowe wyposażenie pozwala na kompleksową diagnostykę nieniszczącą materiałów kompozytowych z zastosowaniem defektoskopii ultradźwiękowej oraz radiograficznej.

Jednocześnie KOBIMK posiada kompetencje w zakresie wytwarzania przyrostowego struktur, elementów i detali m.in. metodą druku 3D z użyciem filamentów oraz druku ekstruzyjnego i powlekania z użyciem płynnych materiałów, takich jak żywice epoksydowe, czy farby i tusze w tym elektroprzewodzące.

KOBIMK ma do dyspozycji komorę do kontroli otoczenia radiowego. Pomiar pól elektromagnetycznych pozwala na znalezienie i wyeliminowanie zakłóceń w opracowywanych systemach i urządzeniach w których, np. jedna magistrala zakłóca działanie drugiej. Obecnie komora wraz z wyposażeniem służy również do pomiarów właściwości fizycznych nowoczesnych materiałów kompozytowych. Takie badania dają odpowiedź na pytanie: czy wykonana z opracowanych kompozytów konstrukcja będzie widoczna dla radarów lub czy na wykonanym z nich kadłubie będzie można umieścić antenę.

Nie ulega wątpliwości, że utworzenie Krajowego Ośrodka Badawczego Inteligentnych Materiałów Kompozytowych w strukturze ITWL jako ogólnopolskiego centrum w znacznym stopniu przyczyni się do ukierunkowania realizowanych w kraju prac badawczych dotyczących nowych technologii materiałowych, w tym także materiałów inteligentnych stosowanych w branży lotniczej, na dziedziny, które mają lub będą miały decydujący wpływ na poprawę konkurencyjności polskiej gospodarki.