Od nauki o materiałach do nanonauki

Przesuwanie granic nauki przez ekspertów owocuje nowymi odkryciami. Współcześni klienci firmy Timken są coraz bliżsi urzeczywistnienia lotów elektrycznych i znalezienia nowych sposobów wykorzystania energii odnawialnej. Każdy mechaniczny krok naprzód wiąże się z tym samym pytaniem: które materiały potrafią sprostać wymaganiom każdego nowego zastosowania?

Zrozumienie fizycznych i chemicznych zachowań metali jest niezbędne, ponieważ z tej wiedzy skorzysta kolejna generacja innowacji. Starsi specjaliści ds. materiałów Aaron Muhlenkamp i Amanda Grow wyjaśniają, dlaczego od wiedzy o metalach zależy w dużej mierze wiodąca pozycja w przemyśle firmy Timken – podobnie jak zwiększanie wydajności klientów i ich możliwości wytwarzania łożysk.

Zorientowane na klienta: metalurgia jako ostateczna nauka stosowana

Czasami nauka odpowiada na pytania teoretyczne. Innym razem rozwiązuje rzeczywiste problemy. Metalurgia spełnia oba te cele, ale celem wszystkich prac badawczo-rozwojowych firmy Timken jest dokonywanie nowych odkryć, które pomogą przezwyciężyć konkretne, współczesne wyzwania inżynieryjne.

„Wszystkie nasze działania mieszczą się w jednej z dwóch kategorii: wydajność lub zdolność produkcyjna” – mówi Aaron Muhlenkamp, ekspert w dziedzinie obróbki cieplnej i wewnętrzny trener metalurgii łożysk w Timken.

Jeśli chodzi o wydajność, analizy metalurgiczne dostarczają informacji o optymalnym doborze materiału w zależności od różnych potrzeb. Na przykład łożyska, które muszą wytrzymywać dziesięciolecia ekstremalnych warunków w głębokiej przestrzeni kosmicznej, mają zupełnie inne wymagania niż te, dzięki którym pojazd elektryczny dojeżdża codziennie do pracy na Ziemi. Oznacza to, że każde łożysko wymaga innych właściwości mechanicznych materiału, z którego jest wykonane. Odpowiednie właściwości poprawiają wydajność i skuteczność łożyska i całego układu, w którym działa.

Muhlenkamp zauważa, że wymagania dotyczące wydajności ciągle się zmieniają, ponieważ konstruktorzy oryginalnego sprzętu zwiększają możliwości swoich układów. Zawsze jest zapotrzebowanie na badania metalurgiczne, które udowodnią, że nowe łożyska będą mogły pracować z większą prędkością, będą tolerować większe obciążenia lub wyższe temperatury.

„Mamy coraz więcej klientów, którzy zwracają się do nas mówiąc: „To normalne zastosowanie, ale teraz łożysko musi działać w temperaturze o 50 stopni wyższej niż wcześniej. W jaki sposób pomożecie nam sobie z tym poradzić?” – mówi. „Lub też klienci proszą nas o łożysko o szerokości 3,3 metra, które wytrzyma ponadprzeciętne obciążenia na morskiej farmie wiatrowej. Ostatecznie musimy zdobyć i przetestować takie materiały, które udowodnią, że dane rozwiązanie będzie działać.

Materiały, które zostaną uznane za „odpowiednie” i będą odpowiednio wydajne muszą również zapewnić praktyczną możliwość ich zastosowania w produkcji łożysk. Czy materiał jest dostępny? W jaki sposób zachowa się podczas obróbki cieplnej i innych procesów produkcyjnych? Czy to rozwiązanie będzie opłacalne? Takie właśnie pytania rozważają metalurdzy, doradzając inżynierom i klientom firmy Timken w zakresie doboru materiałów.

Światowej klasy badania w warunkach przemysłowych

Ponieważ na początku XX wieku firma Timken musiała sklasyfikować swoich dostawców stali, zaczęła w 1913 roku inwestować w badania metalurgiczne i możliwości charakteryzacji materiałów. Dziś szczyci się globalnym zespołem 26 ekspertów w dziedzinie materiałoznawstwa i imponującym laboratorium metalurgicznym z urządzeniami o jednej z najwyższej rozdzielczości na świecie.

„Narzędzia te dają nam wgląd w chemię materiałów, ich mikrostrukturę, reakcję przetwarzania, wynikające z tego właściwości mechaniczne i wydajność produktu” – mówi Amanda Grow, która specjalizuje się w próbach i nowych rozwiązaniach materiałowych, które utrzymują Timken w czołówce technologii łożyskowych. „Nasze laboratoria badawczo-rozwojowe są konkurencyjne w porównaniu z laboratoriami wielu uniwersytetów”.

„Narzędzia te dają nam wgląd w chemię materiałów, ich mikrostrukturę, reakcję przetwarzania, wynikające z tego właściwości mechaniczne i wydajność produktu. Nasze laboratoria badawczo-rozwojowe są konkurencyjne w porównaniu z laboratoriami wielu uniwersytetów”.

Amanda Grow
starsza specjalistka ds. materiałów

Podczas gdy niektóre laboratoria polegają na bardziej podstawowych próbach twardości dla półjakościowych danych o właściwościach mechanicznych materiałów, Timken wykorzystuje plastometrię wcięć, aby zbierać dokładniejsze dane. Ta metoda pomaga nam zbierać bardziej precyzyjne informacje na temat relacji naprężenia i odkształcania materiału oraz ostatecznej wytrzymałości na rozciąganie. Wyniki są podstawą decyzji o tym, czy dany materiał będzie poradzi sobie w procesach produkcji łożysk Timken, a na późniejszym etapie będzie działać w rzeczywistym zastosowaniu.

Aby zbadać chemię materiałów, metalurdzy firmy wykorzystują również najnowsze metody optycznej spektroskopii emisyjnej.

„Można powiedzieć, że bombardujemy kawałek stali jonami argonu, aby powoli usuwać materiał” – mówi Grow. „Usuwając warstwy, analizujemy skład nanometr po nanometrze. Dla porównania, ludzki włos ma od 75 000 do 100 000 nanometrów szerokości”.

Firma Timken niedawno zaczęła wykorzystywać swoje możliwości testowania metalurgicznego w terenie, wykorzystując zminiaturyzowaną technologię do skanowania stali na wadze rzymskiej, przeprowadzania analiz chemicznych i kontroli jakości. Urządzenie przenośne szybko wykonuje tę samą pracę, co jego tradycyjny odpowiednik laboratoryjny, który zajmuje miejsce dwóch biurek.

„Im szybciej uzyskamy rzetelne dane, tym szybciej będziemy mogli podjąć dobre decyzje” – twierdzi Muhlenkamp.

Materiałoznawstwo skoncentrowane na przyszłości

Mając duże doświadczenie w dziedzinie metalurgii, firma Timken nadal poszerza swoje horyzonty, aby wspierać rozwijające się portfolio firmy, zmieniające się potrzeby klientów i nadążyć za szybkim tempem innowacji.

W ostatnim czasie firma Timken wprowadziła hybrydowe łożyska lotnicze z ceramicznymi elementami tocznymi. Ceramika ma unikalne cechy, które zapewniają dużą wytrzymałość przy dużych prędkościach i jest lżejszą alternatywą dla stali w zastosowaniach lotniczych.

Przejęcie firmy GGB przez Timken dodało do asortymentu również polimery, a dział badań i rozwoju coraz bardziej angażuje się w rozwój i dobór materiałów dla produktów wykraczających poza główne portfolio łożysk. Eksperci Timken badają produkcję addytywną, aby zwiększać pewne cechy wydajności w produktach łańcucha przemysłowego.

Muhlenkamp i GROW zgadzają się jednak co do jednego, w miarę poszerzania przez Timken możliwości technicznych, reagowanie na potrzeby klientów pozostaje głównym celem dotrzymania kroku przyszłym innowacjom.

Według Muhlenkampa „chodzi o szybkość zdobywania wiedzy. Im szybciej uzyskamy rzetelne dane, tym szybciej podejmiemy dobre decyzje”.

„Oraz o zwinność” – dodaje Grow. „Chcemy być coraz bardziej zwinną firmą produkcyjną. I dysponujemy wiedzą, aby nią być”.

Innowacje klientów Timken wykorzystują przedsięwzięcia inicjatyw realizowanych w naszych światowej klasy laboratoriach badawczo-rozwojowych Timken. Dowiedz się więcej na temat inwestycji firmy w różnorodne inicjatywy techniczne, od modelowania i przewidywania wydajności łożysk po testowanie nowych produktów.

Published: 2024/01/15