Katedra Inżynierii Procesów Odlewniczych powstała, jako wynik przeprowadzonej w 2007 roku restrukturyzacji struktury organizacyjnej Wydziału Odlewnictwa AGH w Krakowie. Funkcję tworzenia Katedry powierzono prof. dr. hab. inż. Józefowi Suchemu. W latach 2012-2016 funkcję kierownika pełnił prof. dr hab. inż. Witold Krajewski. Obecnie Katedrę tworzy ponad dwudziestoosobowa grupa pracowników naukowo-dydaktycznych. Kierownikiem Katedry jest dr hab. inż. Janusz Lelito, prof. nadzw. AGH. Pełny skład osobowy pracowników, dane dotyczące realizowanych prac, publikacji oraz zajęć dydaktycznych są zamieszczone na stronie internetowej http://www.kipo.agh.edu.pl/.
Pracownicy Katedry uczestniczą w licznych kongresach i konferencjach naukowych krajowych i zagranicznych prezentując wyniki swoich prac badawczych i wdrożeniowych. Wyniki swoich badań publikują również w licznych renomowanych czasopismach o zasięgu międzynarodowym, jak: Acta Materialia, Corrosion Science, Composite Part B, Spectrochimica Acta. Part A, Molecular and Biomolecular Spectroscopy, Archives of Metallurgy and Materials, Archives of Foundry Engineering, International Journal of Cast Metals Research, China Foundry, Foundry Trade Journal, ISIJ International, Journal of Materials Engineering and Performance, Polimery oraz inne.
Katedra jest organizatorem cyklicznych konferencji, które na stałe wpisały się w kalendarz najważniejszych w kraju wydarzeń odlewniczych:
- Międzynarodowa Konferencja Naukowa „Nowoczesne Technologie Odlewnicze – Ochrona Środowiska”.
- Międzynarodowa Konferencja Naukowa „Tendencje Rozwojowe w Mechanizacji Procesów Odlewniczych”.
Pracownicy Katedry biorą czynny udział w realizacji wspólnych prac B+R z odlewniami i innymi zakładami pracującymi na rzecz odlewnictwa, biorą czynny udział w szkoleniu kadry inżynieryjno-technicznej odlewni oraz w grupach doradczych odlewni.
Problematyka naukowa Katedry obejmuje szeroki wachlarz zagadnień badawczych związanych z odlewnictwem, do których zaliczyć należy:
- modelowanie i symulacja numeryczna procesów odlewniczych,
- komputerowe wspomaganie obliczeń i technologii odlewniczych,
- termodynamika procesów odlewniczych,
- maszyny i urządzenia odlewnicze, odlewnictwo ciśnieniowe,
- mechanizacja, automatyzacja i robotyzacja odlewni,
- analiza wytrzymałościowa i konstrukcja odlewów,
- ochrona środowiska w odlewnictwie,
- nowe materiały i technologie.
Modelowanie i symulacja numeryczna procesów odlewniczych
Podczas licznych prac nad powyższymi zagadnieniami naukowymi opracowano wiele programów autorskich oraz systemów bazodanowych. Katedra wykorzystuje również istniejące już na rynku narzędzia komputerowe wspomagające zarządzanie produkcją i pracami inżynierskimi. Szczególną rolę odgrywają pakiety programów służące do symulacji przebiegu procesów determinujących uzyskanie projektowanego rozkładu struktur i stanów materii. Symulacja ruchu ciekłego metalu w formie, rys. 1, a następnie jego krzepnięcie i krystalizacja, rys. 2, pozwala nie tylko szybko wygenerować najlepszą osiągalną i opłacalną technologię ale również, dzięki odpowiednim symultanicznym sprzężeniom z fazami projektowania, współtworzyć optymalny kształt i właściwości wyrobu. Katedra do realizacji powyższych zagadnień dysponuje programami inżynierskimi typu: Magma 5.3, Flow 3D, NovaFlow&Solid oraz programem naukowym Comsol. Do obliczeń parametrów termodynamicznych wykorzystywane jest oprogramowanie ThermoCalc.
Poniżej podano przykładowe tematy prac związanych z wymienionymi wyżej zagadnieniami, realizowanych w ramach projektów badawczych, badawczo rozwojowych, zamawianych, międzynarodowych i innych:
- Development of environmentally friendly cast alloys and composites. EU project in frame of the Marie Curie Actions: Human Resources and Mobility - Transfer of Knowledge (ToK). FP6-2005-Mobility-3. CastModel.
- Kompleksowy model segregacji składników stopowych w odlewach ze stopów wieloskładnikowych.
- Modelowanie krzepnięcia wybranych układów kompozytowych ze szczególnym uwzględnieniem stopów magnezu.
- Modelowanie mikro-makro krzepnięcia układu heterofazowego na przykładzie kompozytu na osnowie stopu AZ91.
- Opracowanie algorytmu odtwarzania rozkładu wielkości podkładek zarodkowania heterogenicznego w stopach heterofazowych w oparciu o model swobodnego wzrostu (Free-Growth).
Komputerowe wspomaganie obliczeń i technologii odlewniczych
Badania zespołowe prowadzone w tym zakresie są związane z następującą tematyką:
- Diagnostyka i optymalizacja formierek i automatów formierskich.
- Linie odlewnicze do formowania bezskrzynkowego oraz w skrzynkach.
- Teoria procesów roboczych w nadmuchiwarkach i strzelarkach do rdzeni – synteza nowych rozwiązań procesu.
- Rozszerzony model obliczania zespołów pneumatycznych maszyn dmuchowych.
- Zastosowanie mikroelektroniki i sterowania z wykorzystaniem mikrokomputerów umożliwiło znaczne rozszerzenie funkcji systemów sterowania, które obejmują kontrolę prawidłowości działania urządzeń, diagnostykę i sposoby usuwania uszkodzeń, wymianę oprzyrządowania oraz rejestrację danych produkcyjnych.
W zakresie maszynowego wyposażenia nowoczesnej rdzeniarni badania dotyczą przede wszystkim technologii wstrzeliwania rdzeni, utwardzanych czynnikami gazowymi w temperaturze otoczenia z mas nowej generacji, która praktycznie zdominowała wcześniejsze sposoby wstrzeliwania rdzeni, utwardzanych w technologii hot-box. Czynnikami optymalizacji jest usystematyzowanie teorii procesów wykonywania rdzeni metodami dmuchowymi oraz badania modelowe i symulacyjne. Wprowadzone w wyniku tych badań nowe metody pomiaru wielkości procesowych w opisie teoretycznym procesu pozwalają na znaczne uproszczenie struktury wzorów, przeznaczonych do obliczeń pneumatycznych oraz technologicznych procesu. Aktualnie prowadzony jest projekt badawczy NCN dotyczący badania mechanizmu przepływu strumienia piaskowo-powietrznego w strzelarkach, ze szczególnym uwzględnieniem konstrukcji rdzennicy oraz zaworu strzałowego urządzenia.
Termodynamika procesów odlewniczych
Kierunkami badawczymi wchodzącymi w zakres działalności Zespołu termodynamiki są wszystkie zagadnienia związane z termodynamiką procesów odlewniczych oraz wymianą ciepła, badaniami trybologicznymi, mechaniką płynów ze szczególnym uwzględnieniem przepływów w układzie wlewowym oraz przetwórstwo i odlewnictwo tworzyw sztucznych. W rama powyższych zagadnień Zespół prowadzi zajęcia dydaktyczne ze studentami oraz badania naukowe do realizacji których wykorzystuje mikrokalorymetry DSC oraz urządzenia do rejestrowania temperatury firmy Agilent.
Poniżej podano przykładowe tematy prac związanych z wymienionymi wyżej zagadnieniami, realizowanych w ramach projektów badawczych, badawczo rozwojowych, zamawianych, międzynarodowych i innych:
- Development of environmentally friendly cast alloys and composites. EU project in frame of the Marie Curie Actions: Human Resources and Mobility - Transfer of Knowledge (ToK). FP6-2005-Mobility-3. CastModel.
- Modelowanie mikro-makro krzepnięcia układu heterofazowego na przykładzie kompozytu na osnowie stopu AZ91
- Opracowanie algorytmu odtwarzania rozkładu wielkości podkładek zarodkowania heterogenicznego w stopach heterofazowych w oparciu o model swobodnego wzrostu (Free-Growth).
Maszyny i urządzenia odlewnicze, odlewnictwo ciśnieniowe
Tematyka naukowo-badawcza maszyn i wyposażenia do technologii odlewniczych jest kontynuowana od szeregu lat, obejmując między innymi problematykę, którą można określić ogólnie jako "teoria procesów roboczych w maszynach i urządzeniach odlewniczych oraz badana realizowane pod kątem optymalizacji istniejących urządzeń i syntezy nowych rozwiązań". W tej tematyce można wyodrębnić dwa obszary problemowe, których pierwszy dotyczy wprowadzania nowoczesnych technologii i związanych z nimi urządzeń, zmniejszających pracochłonność i zużycie materiałów, a przez to także obniżających koszty produkcji odlewów w klasycznej technologii odlewniczej, a drugi - stosowania nowych generacji maszyn i wyposażenia dla alternatywnych sposobów odlewania w stopniu pokrywającym znacznie większy wolumen odlewów, niż ma to miejsce obecnie.
W tym, rozszerzonym zakresie tematycznym w Katedrze realizowane są liczne prace, mające aspekt naukowy oraz wdrożeniowy. Ostatnim osiągnięciem w tym zakresie jest uzyskanie patentu w USA (US 201313947154) oraz Unii Europejskiej (EP 2689868 B1) na nową konstrukcję regeneratora wibracyjnego do regeneracji mas zużytych ze spoiwem organicznym i nieorganicznym REGMAS (www.regenerator-poig.pl), który został przedstawiony na rysunku 3.
Tematyka regeneracji mas zużytych stanowi jeden z istotniejszych elementów pracy zespołu. W ostatnich latach opracowano szereg rozwiązań regeneratorów mechanicznych, z których część została opatentowana (PL 220191 B1; PL 157972 B1, PL 180254 B1). Poza procesem regeneracji mechanicznej rozwijana jest też problematyka regeneracji termicznej. W Katedrze powstało nowoczesne stanowisko doświadczalne do badań tego procesu. Reasumując można stwierdzić, że Katedra Inżynierii Procesów Odlewniczych dysponuje niespotykanym w innych jednostkach naukowo-badawczych w kraju i zagranicą zapleczem badawczym do badań procesów odzysku osnowy ze zużytych mas formierskich i rdzeniowych. Tematyką pokrewną z regeneracją jest również zagospodarowanie pyłów powstających w procesach regeneracji. Jest to również nurt badawczy, którym w Katedrze wspólnie zajmują się zespoły maszyn i urządzeń odlewniczych oraz ochrony środowiska. Opracowano i wykonano urządzenie do granulacji pyłów poregeneracyjnych (PL 217441 B1) oraz zgłoszono do opatentowania dwa rozwiązania urządzeń do termicznej utylizacji pyłów poregeneracyjnych pochodzących z procesu regeneracji mas zużytych ze spoiwem organicznym (Zgłosz. nr P.411902 z dn. 2015-04-07; Zgłosz. nr P.407853 z dn. 2014-04-10). W zakresie tematyki wykonywania odlewów metodą wysokociśnieniową, prowadzone są prace badawcze, modelowe oraz symulacyjne związane z analizą procesów zachodzących w trakcie procesu wypełniania formy ciśnieniowej ciekłym metalem, a szczególnie przebiegu I i II fazy procesu na to zjawisko. Zakres odlewania wysokociśnieniowego jest jednym z ważniejszych tematów realizowanych w Katedrze pod kątem współpracy badawczo-rozwojowej z przemysłem cieszy się bardzo dużym zainteresowaniem studentów. Na rysunku 4 przedstawiono widok stanowiska do badań modelowych I i II fazy odlewania ciśnieniowego.
Rys.4. Stanowisko do badań modelowych I i II fazy odlewania ciśnieniowego
Mechanizacja, automatyzacja i robotyzacja odlewni
Katedra prowadzi również prace z zakresu komputerowego sterowania procesami technologicznymi, które obejmują badania studialne nowoczesnych technik automatyzacji systemów monitorowania procesów technologicznych. Rozwijana jest również umiejętność programowania różnego typu sterowników mikroprocesorowych oraz tworzenia programów komputerowych obsługujących karty lub moduły pomiarowe i sterujące firm Advantech i National Instruments. Niezależnie od tego realizuje się projekty i implementacje programów komputerowych niezbędnych dla odlewnictwa, które są efektem wdrażania zaawansowanych metod numerycznych i algorytmów o różnym stopniu złożoności. W ten sposób powstały pakiety programów do obliczeń z zakresu analiz sitowych materiałów formierskich, obliczeń namiaru wsadu dla różnych typów pieców odlewniczych. W ramach tej działalności wykonuje się także programy symulacyjne (programy komputerowej symulacji pracy żeliwiaka lub pieca indukcyjnego), które mają szczególne znaczenie dla celów dydaktycznych, jak również konstrukcyjnych. Oddzielną dziedziną są wdrożenia algorytmów automatycznej identyfikacji złożonych, wielowarstwowych procesów technologicznych, na podstawie których tworzone są, w połączeniu z kartami pomiarowymi, matematyczne modele statyczne i dynamiczne (liniowe lub nieliniowe) badanych procesów lub elementów procesów technologicznych. Opracowano i opatentowano również metodę niskociśnieniowego pneumatycznego wybijania odlewów posiadającą wiele zalet w stosunku do metod tradycyjnych.
Analiza wytrzymałościowa i konstrukcja odlewów
W ramach aspektów wytrzymałościowych prowadzone w Katedrze są badania w zmodyfikowanej próby zmęczeniowej w zakresie małej liczby cykli (MLCF) w ramach autorskiego programu (dr hab. M. Maj, prof. AGH), które pozwalają na określanie statycznych właściwości mechanicznych tworzyw z równoczesnym określaniem parametrów niskocyklowej próby zmęczeniowej.
Ponadto realizowane są prace związane z:
- Bezpośrednim, realizowanym w toku ograniczonej liczby operacji technologicznych kształtowaniem postaciowym wyrobów o praktycznie dowolnym stopniu skomplikowania, eliminującym szereg dodatkowych operacji i czynności.
- Badaniami elastooptycznymi zarówno modelowymi, jak i z wykorzystaniem warstwy wierzchniej.
- Analizą naprężeń własnych w dużych odlewach metodami tensometrii oporowej (metoda nacinania przykrawędziowego, metoda Mathara) i elastooptycznej warstwy optycznie czynnej.
Dodatkowo Zespół zajmuje się również:
- Opracowaniem wytrzymałościowych podstaw projektowania beznaprężeniowych odlewów o zwiększonej trwałości eksploatacyjnej. - Crash–testami elementów konstrukcyjnych.
- Dysypacją energii w elementach konstrukcyjnych.
- Optymalizacją topologiczną kształtu konstrukcji.
- Odlewami szkieletowymi - technologią wytwarzania i analizą aspektów wytrzymałościowych (rys. 5).
- Modelowaniem stanów naprężenia w obecności wad odlewniczych.
- Analizą termiczno-naprężeniowa elementów oprzyrządowania form ciśnieniowych.
Rys.5. Przebieg próby ściskania odlewu w szczękach maszyny wytrzymałościowej MTS 810 Wyniki obliczeń numerycznych – przemieszczenie w kierunku działania siły ściskającej
Ochrona środowiska w odlewnictwie, nowe materiały i technologie
Ważnym nurtem działalności Katedry Inżynierii Procesów Odlewniczych są nowe materiały i technologie oraz zagadnienia związane oceną wpływu procesów technologicznych, ze szczególnym uwzględnieniem procesów odlewniczych, na środowisko w aspekcie zmniejszenia ich szkodliwego oddziaływania. Ostatnimi osiągnięciami w tym zakresie, poza licznymi publikacjami są patenty i zgłoszenia patentowe:
- Masa formierska lub rdzeniowa i sposób jej utwardzania (PL 207459 B1).
- Masa formierska lub rdzeniowa wiązana biodegradowalnym spoiwem polimerowym (PL 218966 B1).
- Moulding sand and a method of curing of moulding sand (Opis zgłoszeniowy; EP 3015188 A1 ; Opubl. 2016-05-04).
- Sposób przetwarzania i wykorzystania zużytych mas odlewniczych na surowiec wtórny (PL 222091 B1).
- Sposób przetwarzania zużytych mas odlewniczych na surowiec wtórny (PL 218891 B1).
- Stanowisko do badania intensywności emisji i szkodliwości gazów wydzielających się z materiałów technologicznych, stosowanych w procesach odlewniczych i hutniczych (PL 398709 A1).
W tych obszarach prowadzona jest szeroka współpraca z przemysłem, jednostkami naukowo-badawczymi w kraju i za granicą (Niemcy, Austria, Norwegia, Słowacja, Czechy, Rosja, Chorwacja, W. Brytania) oraz organami administracji (m.in. Ministerstwo Środowiska, Główny Inspektorat Ochrony Środowiska).
W ramach wymienionej wyżej tematyki w Katedrze prowadzone są następujące grupy badań:
- Ocena oddziaływania przemysłu odlewniczego na środowisko,
- Najlepsze Dostępne Techniki (BAT) w przemyśle odlewniczym,
- Systemy zarządzania środowiskowego,
- Systemy zarządzania bezpieczeństwem i higieną pracy,
- Recykling i zagospodarowanie odpadów,
- Badanie emisji gazów i pyłów w procesach odlewniczych,
- Ocena materiałów odlewniczych w aspekcie ich oddziaływania na środowisko,
- Opracowywanie ekologicznych spoiw dla mas formierskich i rdzeniowych,
- Analiza ciał stałych, cieczy i gazów.