Etapa V

1. OBIECTIVELE SPECIFICE ALE ETAPEI 5

Obiectivele specifice prevazute in proiect pentru partenerul P1 (R&D Consultanta si Servicii), conform Planului de realizare, sunt:

• proiectarea compozitiei aliajului metalic in vederea obtinerii efectului de memoria formei;
• elaborarea tehnologiei de laborator privind sinteza materialului metalic;
• experimentarea tehnologiei de laborator privind sinteza materialului metalic in cuptor de topire cu creuzet rece; caracterizarea chimica a aliajului obtinut;
• elaborarea si caracterizarea lotului test necesar executiei elementelor multifunctionale;
• elaborarea si caracterizarea lotului test din aliaj cu memoria formei necesar executiei sistemului modular cu elemente active multifunctionale;
• întocmirea documentatiei de analiza tehnico-economica privind aplicarea rezultatelor cercetarii; evaluarea impactului economic.

Obiectivele specifice prevazute in etapa 5 a proiectului pentru partenerul P1 sunt:

• –  obtinerea caracteristicilor mecanice dinamice ale elementelor multifunctionale;
• – intocmirea documentatiei de analiza tehnico-economica privind aplicarea rezultatelor cercetarii; evaluarea impactului economic.

2. REZUMATUL ETAPEI 5 (partener P1)

Elementele multifunctionale obtinute prin Deformare Plastica Severa, prin procedeul High Speed High Pressure Torsion (SPD-HSHPT ), au fost supuse unui test privind rezistenta lor la oboseala cu ajutorul unui sistem de incercare dinamic tip Electropuls 3000.

Testul a fost efectuat conform unui program in care valoarea fortei de preincare a probei a fost de 60 N. Fata de valoara fortei de preincarcare, proba a fost supusta unei solicitari de tip sinusoidal, cu amplitudinea de + 20 N, la o frecventa de 5 Hz.

Incercarile dinamice efectuate asupra elementelor multifunctionale au evidentiat comportamentul excelent la oboseala, materialul rezistand unui numar de 50.000 cicluri. Testul la oboseala confirma faptul ca, din punct de vedere al comportamentului dinamic, elementul multifunctional cercetat poate fi utilizat pentru executia sistemului modular avut in vedere.

3. TESTAREA REZISTENTEI LA OBOSEALĂ A PROBELOR MULTIFUNCTIONALIZATE

3.1  Aspecte generale

Elementele prelucrate prin Deformare Plastica Severa, prin procedeul High Speed High Pressure Torsion (SPD-HSHPT ), au fost supuse unui test privind rezistenta lor la oboseala.

Caracterizarea a fost executata cu ajutorul unui sistem de incercare dinamic si static tip Electropuls 3000 fabricat de INSTRON, care se prezenta in figura nr. 3.1.

Figura nr. 3.1 – Sistem de testare ElectroPuls E3000

Caracteristicile tehnice generale ale sistemului sunt prezentate mai jos:

• Sistem de testat dinamic si static;
• Capacitate fortă dinamică: ± 3000 N;
• Capacitate fortă statică: ± 2100 N;
• Cadrul rezistent la oboseala, capabil sa suporte teste in ambele moduri tractiune si compresiune;
• Cursa liniara: 60 mm;
• Frecventa: peste 100 Hz;
• Deschiderea maxima: 850 mm;
• Actionare: complet electrica (fara grup hidraulic, fara actionari pneumatice);
• Tensiunea de alimentare: 220 V;
• Montare: pe masa, vertical;
• Amprenta pe sol necesara: max 0,3 m².

Elementele multifunctionale supuse incercarii, avand dimensiunile prezentate in figura 3.2, au fost obtinute prin SPD – HSHPT .

Figura nr. 3.2 – Element multifunctional pentru testarea dinamica

3.2 Efectuarea testelor la oboseală pe probe multifunctionalizate

Intrucat nu exista un standard privind incercarea la oboseala a acestor materiale speciale, incercarea la oboseala s-a efectuat avandu-se in vedere solicitarile elementului multifunctional in aplicatia vizata.

Programul de lucru impus masinii de incercari dinamice este cel de mai jos.

Pasul 1 – pornire in rampa, cu urmatorii parametri setati:

• valoarea preincarcarii: 60 N;
• timpul pana la atingerea preinarcarii setate: 10 s.

Pasul 2 – efetuarea testului dupa o curba sinusoidala cu:

• amplitudinea cumulata: 40 N (+; 20 N);
• frecventa: 5 Hz;
• de cicluri: 50.000.

Pasul 3 – finalizarea testului prin:

• revenire la o incarcare de 0 kN;
• timp de atingere a incarcarii setate: 10 s.

In continuare sunt prezentate graficele privind evolutia deplasarii si a fortei in functie de numarul de cicluri pe toata durata testului dinamic.

Figura nr. 3.3 – Evolutia deplasarii in timpul testului dinamic

Figura nr. 3.4 – Evolutia fortei in timpul testului dinamic

3.3 Concluzii

a) Proba din aliajul cercetat a rezistat solicitarii dinamice la care a fost supusa – 50.000 cicluri -, mult peste necesarul impus de aplicatia vizata

b) Testul la oboseala confirma faptul ca, din punct de vedere al comportamentului dinamic, elementul multifunctional cercetat poate fi utilizat pentru executia sistemului modular avut in vedere.

4 ELABORAREA DOCUMENTAȚIEI DE ANALIZĂ TEHNICO-ECONOMICĂ PRIVIND APLICAREA REZULTATELOR CERCETĂRII

4.1 Iniţiatorul proiectului

Initiatorul proiectului de cercetare este un consortiu, constituit in baza unui Acord de colaborare, din care fac parte:

• o universitate, care are ca atributii in cadrul proiectului proiectarea si educarea elementelor multifunctionale si a standului de testare a acestora;
• o universitate, care executa deformarea plastică severă severa a aliajelor FeMnSiCr prin torsiune la presiune ridicată (SPD-HPT), pentru a obtine o structură cu granulatie ultrafină;
• un agent economic (utilizatorul tehnologiei), cu atributiuni privind proiectarea aliajului, sinteza si caracterizarea acestuia.

Componenta consortiului format pentru executia proiectului de cercetare este urmatoarea:

a) Universitati

– Universitatea Tehnica Gh. Aschi din Iasi (CO – UTI);

– Universitatea Dunarea de Jos din Galati (P2 – UDJ).

b) Agenti economici

– SC R&D Consultanta si Servicii SRL (P1 – RD).

Specializarile de baza ale partenerilor, necesare pentru atingerea obiectivului proiectului de cercetare, sunt urmatoarele:

• stiinta si ingineria materialelor (proiectarea compozitiei aliajelor metalice, sinteza aliajelor, elaborarea tehnologilor de fabricatie, prelucrarea termomecanica a aliajelor, inclusiv prin deformare plastica severa – SPD): CO, P1, P2;
• caracterizarea materialelor (chimic, fizico-mecanic, structural): CO, P1; P2;
• proiectarea si educarea elementelor multifunctionale si a standului de testare a acestora: CO;
• stiinte economice (analize tehnico-economice): P1.

Fiecare dintre participanti, in sectorul sau de activitate, cunoaste legislatia aplicabila, standardele, normele si alte reglementari interne si ale UE privitoare la domeniul proiectului. Participantii la proiect au capabilitatea stiintifica si dotarile tehnice necesare pentru executia tuturor activitatilor prevazute in Planul de realizare al proiectului astfel incat sa fie atinse obiectivele stabilite.

Utilizatorul tehnologiei de sinteza a aliajului cercetat, asa cum s-a mai aratat, va fi R&D Consultanta si Servicii, iar pentru executia elementelor multifunctionale, respectiv pentru educarea acestor elemente, agenti economici care vor achizitiona drepturile de proprietate intelectuala de la parteneri P2 si CO. De asemenea, utilizator al acestui aliaj va putea fi orice producator care are in dotare echipamente pentru obtinerea structurii nanocristaline a  aliajelor de tip FeMnSiCr.

4.2 Studiul cererii şi al ofertei

Situatia pe plan international

Aliajele cu memoria formei Fe-Mn-Si sunt considerate un candidat puternic pentru inlocuirea aliajelor Ni-Ti sau pe baza de cupru, mult mai scumpe, care au dat rezultate foarte bune in aplicatii din domeniul militar. Avantajele aliajelor cu memoria formei Fe-Mn-Si sunt costul scazut, buna deformabilitate, prelucrabilitate buna prin aschiere, sudabilitate, rezistenta mecanica si fabricare usoara.[1] Aceste aliaje prezinta un histeresis mai larg si o rigiditate elastica mai mare decat aliajele Ni-Ti.[4] Costul lor mai scazut rezulta nu numai din pretul materiilor prime, dar si din conditiile de elaborare mai putin svere. Totusi, la fabricarea lor se impune un control riguros al retetei, intrucat aliajele din aceasta clasa au proprietati mecanice sensibile la variatii compozitionale.[3]

Ca urmare a capacitatii lor de a dezvolta solicitari mari de revenire in timpul incalzirii-racirii in stare deformata si efectului lor de memoria formei intr-un singur sens, aceste aliaje se pot aplica pentru diverse dispozitive cu  memorie supuse la solicitare termo-mecanica.[2]

Aliajele de tip Fe-Mn-Si pot substitui Nitinolul, cu costuri mai mici, pentru imbinari de conducte de diverse dimensiuni. In domeniul constructiilor, aceste aliaje se pot utiliza cu succes in locul otelului pentru structuri, eliminand dezavantajele acestuia privind deformatia plastica remanenta mare si capabilitatea scazuta de recentrare dupa solicitare.[3]

Pentru o buna eficienta tehnica si economica in domeniul constructiilor se considera insa oportuna utilizarea in paralel atat a otelului structural, cat si a aliajelor Fe-Mn-Si cu memoria formei in functie de performantele fiecaruia in aplicatii specifice, optimizand astfel beneficiile si evitand deficientele.[3]

Bolturile utilizate in constructii civile si in constructia de masini executate din otel prezinta porozitate si rezistenta scazuta la oboseala, aliajele de tip Fe-Mn-Si cu memoria formei fiind o alternativa de perspectiva, care prezinta si avantajele unei rezistente mai bune la coroziune si uzura (nu prezinta pierderi prin frictiune).

Pana in prezent, aplicatiile aliajelor de tip Fe-Mn-Si cu memoria formei pentru domeniile aratate mai sus s-au materializat in special prin testari la faza laborator si pilot, in scopul verificarii rezistentei la vibratii si/sau solicitari mecanice  a elementelor de constructii in care sunt incorporate aceste materiale.[3] Totusi literatura mentioneaza si aplicatii concrete la repararea elementelor de rezistenta deteriorate sau la imbinari de conducte. Pentru aceste lucrari materialele au fost produse la comanda de companii metalurgice specializate.

Situatia pe plan national

In Romania nu au fost semnalate situatii de utilizare in scopuri industriale a aliajelor FeMnSi cu memoria formei.

Dezvoltarea, cu participarea masiva a unor investitori straini, a sectoarelor industriale privind constructia de masini si cel energetic constituie insa o oportunitate insemnata pentru utilizarea industriala a acestui material.

Avand in vedere faptul ca Romania se situeaza intr-o zona seismica activa si luand in calcul numarul cladirile afectate in urma cutremurelor, se poate aprecia ca aliajele FeMnSi pot fi utilizate cu succes in sectorul constructiilor pentru lucrari de consolidare.

Datorita infrastructurii foarte proaste, sectorul feroviar din Romania urmeaza sa treaca printr-un proces de reabilitare masiv, proces in care utilizarea aliajelor FemnSi poate fi oportuna.

Din cele prezentate mai sus rezulta ca utilizarea aliajului FeMnSi in tara noastra are un potential foarte ridicat.

In Romania, inainte de realizarea acestui proiect, singurele studii relevante publicate privind aliajele cu  memoria formei Fe-Mn-Si, in afara de cele ale coordonatorului de proiect (CO), au fost realizate de Craciunescu si altii, care au investigat proprietatile magnetice ale benzilor, barelor si microfirelor solidificate rapid.

Rezultatele celor mai importante cercetari ale CO asupra aliajelor cu memoria formei Fe-Mn-Si au fost datorate colaborarii cu Dr. Takahiro Sawaguchi de la NIMS Tsukuba, Japonia si cuprind:

• un studiu privind efectele de pinning asupra transformarii datorate frictiunii interne in aliajul Fe-17Mn, care a fost prezentat la conferinta Spring Meeting de la  Japan Institute of Metals;
• dezvoltarea mecanismului de transformare reversibila de plasticitate indusa in Fe-Mn-Si.

4.8 CONCLUZII

1. Fabricarea aliajului FeMnSiCr pentru executia elementelor multifunctionale auto-adaptive, conform tehnologiei rezultata in urma cercetarilor, va fi executata la R&D Consultanta si Servicii, partener la proiectul de fata.
2. Partenerii UDJ si UTI vor vinde drepturile de proprietate intelectuala privind obtinerea, respectiv educarea elementelor multifunctionale catre agenti economici interesati de aceste brevete; acesti agenti vor dezvolta, prin eforturi proprii sau in parteneriat cu cele doua universitati, tehnologiile de deformare, respectiv de educare a elementelor multifuntionale.
3. Cercetarea efectuata asupra posibilitatilor de desfacere a aliajului FeMnSiCr arata ca acest aliaj are sanse ridicate de a intra pe piata, in contextul dezvoltarii in Romania a unor industrii cu potential de a utiliza acest material (industria constructoare de masini, industria energetica). Aceasta cercetare a reliefat faptul ca prouctia de aliaj FeMnSiCr la SC R&D Consultanta si Servicii este oportuna.
4. Pentru dezvoltarea productiei, Societatea are in dotare echipamentele din fluxul tehnologic de fabricare, investitiile necesare (in suma de 22.600 lei, incluzand TVA) vizand pregatirea fabricatiei.
5. Programul de productie planificat este de 100 kg in 2018, 150 kg in 2019 si, incepand din 2020, de 200 kg/an.
6. Pretul de vanzare previzionat pentru aliajul FeMnSiCr este de 2.000 lei/kg.
7. Analiza efectuata arata ca fabricatia aliajului FeMnSiCr la R&D Consultanta si Servicii in conditiile specificate in proiect este profitabila. Astfel:

• profitul net rezultat din aceasta activitate va fi de 12.311 lei in 2018, de 20.987 lei in 2019 si de 28.806 lei incepand din 2020;
• rentabilitatea costurilor, calculata ca raport intre profitul brut si costurile de productie, va fi de 7,90 % in anul 2018 si va ajunge la 9,37 % in anul 2020;
• rata rentabilitatii veniturilor (rapotul dintre profitul net si veniturile din vanzari) creste de la 6,15 % in primul an de functionare la 7,20% in anul 2020 cand se realizeaza nivelul maxim de productie;
• fluxul de venituri nete, actualizate cu o rata de 10 %, rezultat pe perioada de functionare normala a instalatiilor este de 481 lei; la o actualizare cu un indice de 15 %, veniturile nete sunt pozitive (51.804 lei), ceea ce arata ca acest proiect este rentabil.

Perioada de recuperare a investitiei din profitul net si amortizarile rezultate suplimentar este de cca. 15 luni de la terminarea lucrarilor de investitii – atunci cand aceasta recuperare se calculeaza static – si de cca. 18 luni cand aceasta se calculeaza dinamic, cu o rata de actualizare de 10 %.