Technická univerzita v Liberci - Ústav pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace

VÝZKUMNÉ PROGRAMY

MATERIÁLOVÝ VÝZKUM

Vedoucím výzkumného programu materiálový výzkum je prof.Ing. Petr Louda, CSc. (mailto: petr.louda@tul.cz)


Základní výzkum je v tomto výzkumném programu zaměřen na kompletní fyzikální popis procesů probíhajících při elektrostatickém zvlákňování polymerních roztoků a tavenin. Vývojová (technologická) část se specializuje na nové varianty procesů a jejich modifikace. Předmětem činnosti v základním výzkumu bude: elektrostatické zvlákňování, příprava různých typů nanopovrchových úprav a příprava kompozitů na bázi nanomateriálů.


Aplikovaný výzkum nanomateriálů je orientovaný na zkoumání vlastností nanomateriálů a jejich využitelnosti pro konkrétní aplikace, například na vývoj specifických výrobků, zejména filtrů, povrchových úprav v medicíně a strojírenství a biotechnologických materiálů pro čištění vod a jiné sanační postupy.


Koncepce výzkumného programu Materiálový výzkum

Téma nanomateriály je koncipováno jako soubor pěti aktivit ve směru základní výzkum, aplikovaný výzkum, realizace.


(1) V základním výzkumu probíhá studium fyziky procesů spojených s tvorbou nanomateriálů a popisem fyzikálních principů elektrostatického zvlákňování. Vzhledem k relativní novosti oboru není dosud většina procesů podrobně fyzikálně popsána. Znalost jejich fyzikální podstaty, důležitých proměnných a jejich vlivu je nezbytná k řízení procesů přípravy a vlastností připravovaných materiálů. K poznání fyzikálních zákonitostí procesů jsou konstruovány elektrohydrodynamické modely, které jsou porovnávány s experimentálními výsledky. K popisu elektrostatického zvlákňování jsou využívány nástroje polymerní fyziky. Teoretickým východiskem fyzikálního popisu jevu elektrostatického zvlákňování je samo-organizace na základě mechanismu nejrychleji rostoucí nestability. K těmto mechanismům se vztahuje experimentální studium tvorby nanovláken a její parametry. Cílem této části je kompletní fyzikální popis procesů probíhajících při elektrostatickém zvlákňování polymerních roztoků a tavenin jako základ ke kvalifikovanému vývoji technologií a jejich ovládání.


(2) Ve vývojové (technologické) části jsou vyvíjeny technologie přípravy nanovláken a nanopovrchů a jejich varianty. Nanovlákna jsou vytvářena z různých typů organických a anorganických polymerů ve formě roztoků a tavenin. K tomu je třeba studovat molekulové hmotnosti polymerů a jejich distribuce, elektrickou vodivost a povrchové napětí roztoků, interakce makromolekul a rozpouštědla, reologické vlastnosti a další parametry a to ve vztahu k průběhu a výkonu zvlákňování a kvalitativním znakům produktů. V oblasti nanopovrchů jsou studovány procesy jejich tvorby z diamantu, uhlíku, kovů a dalších hmot v závislosti na metodice jejich přípravy a procesních parametrech. Výstupem této části budou nové varianty procesů a jejich modifikace.


(3) Konstrukční část – na základě výsledků prvních dvou částí VaV procesu budou konstruovány prototypy a laboratorní funkční modely strojního zařízení a vytvářeny podklady pro stavbu provozních linek nebo jejich součástí. Konstrukce zahrnuje volbu materiálů, regulačních prvků a pohonů vhodných do prostředí s vysokým elektrickým potenciálem a výbušným, případně chemicky agresivním prostředím. Příkladem modifikací základní technologie vytváření plošných nanovlákenných útvarů, které jsou vyvíjeny, jsou části výrobních linek pro výrobu lineárních a trojrozměrných nanovlákenných útvarů. Na řešení se v největší míře podílejí pracovníci ve výzkumném programu „Konkurenceschopné strojírenství“


(4) Aplikovaný výzkum geometrických, povrchových, fyzikálních a chemických vlastností nanomateriálů je nutným základem pro jejich využití v praxi. Zvláštní důraz bude v rámci tohoto výzkumu kladen na studium nanovláken a nanočástic na bázi kovů a jejich oxidů.


(5) Aplikace nanomateriálů jsou vyvíjeny zejména v následujících hlavních směrech: nanovlákna pro filtrace plynů a kapalin, zvukově absorpční materiály, kryty ran a další zdravotnické materiály. Dále materiály pro sanační procesy, tkáňové inženýrství a kompozity či nanopovrchy a nanovlákenné materiály pro implantáty a tkáňové inženýrství. Dalším směrem vývoje jsou také nanočástice pro čištění odpadních vod či funkční nanopovrchy pro fotokatalytickou sterilizaci a čističky.


LABORATOŘE

Základem metodologického přístupu je komplexní řešení, které zahrnuje vývoj metod přípravy materiálů, studium mechanismu procesů jejich přípravy, jejich proměnných a možností ovládání kvalitativních parametrů připravovaných materiálů, studium fyzikálních, chemických a strukturních vlastností materiálů, návrhy jejich využití, vývoj výrobků pro konkrétní využití a vypracování technologií jejich výroby. Klíčovou výzvou je zachování a rozšíření současné dobré pozice českého výzkumu ve vývoji a využití nanomateriálů. Konečným cílem výzkumných prací je uplatnění výsledků v průmyslu. Výrobky budou směřovat do oblastí filtrace, zdravotnických aplikací, absorpce zvuku, nových kompozitních materiálů, úprav povrchů pro zdravotnictví a obrábění, biotechnologických a sanačních procesů.


Přehled laboratoří pro výzkumný program Materiálový výzkum - za každou laboratoří bude proklik, kde bude garant, zaměstnanci, náplň každé laboratoře, projekty, zakázky


  • Laboratoř přípravy nanovláken a nanopovrchů
  • Laboratoř aplikací nanomateriálů
  • Fyzikálně chemická laboratoř nanomateriálů
  • Laboratoř hodnocení nanovrstev
  • Laboratoř chemických sanačních procesů
  • Laboratoř biotechnologií
  • Laboratoř mechaniky tekutin
  • Laboratoř pro výrobu vzorků a prototypů výrobků
  • Laboratoř analytických metod
  • Laboratoř nanokompozitních materiálů

KONKURENCESCHOPNÉ STROJÍRENSTVÍ

Vedoucím výzkumného programu Konkurenceschopné strojírenství je prof. Ing. Jaroslav Beran, CSc. (mailto jaroslav.beran@tul.cz)


Záměrem TUL je vybudovat fyzikální laboratorní pracoviště. Jednotlivé expertní výzkumné týmy budou svými aktivitami a současně přístrojovým a laboratorním vybavením dlouhodobě podporovat vývojové aktivity průmyslových subjektů v přilehlých regionech, jednak zaměřených na vývoj a výrobu strojů, zařízení a dopravních prostředků a jednak na uplatnění nových technologií a technologických postupů k zajištění vyššího stupně inovace průmyslové výroby. Laboratorní pracoviště budou zaměřena na následující výzkumné oblasti:


  • Zavádění pokročilých technologií do vývoje výrobních strojů, zařízení, mobilních prostředků a technologických celků k zajištění zpracovatelnosti materiálů, výroby komponentů a finálních výrobků při vysokých pracovních rychlostech, vyšší spolehlivosti a nízkých provozních nákladech. Důraz bude kladen na snížení energetické náročnosti výroby a ekologické zátěže.
  • Komplexní řešení specifických problémů z oblasti strojírenské techniky zaměřené na optimalizaci vlastností strojů, zařízení a mobilních prostředků v interakci s novými pracovními procesy. Výsledkem řešení budou nové poznatky pro zvýšení výkonnosti a životnosti strojů a zařízení při současném snížení energetické náročnosti, zlepšení pracovního a životního prostředí minimalizací vibrací a hluku a užití nových materiálů a perspektivních technologií.
  • Využití nových poznatků materiálového výzkumu realizovaného v rámci projektu při návrhu strojírenských konstrukcí a podpora výzkumu a vývoje nových strojních zařízení a provozních linek pro výrobu lineárních a trojrozměrných nanovlákenných útvarů.

Výzkum a vývoj se zaměřuje do oblastí zpracovatelského a automobilového průmyslu s velkým aplikačním potenciálem a vyžaduje pravidelnou komunikaci s podnikatelskou sférou pro zjišťování potřeb podniků v daném průmyslovém oboru. Prioritní se stává otázka bezpečnosti strojírenských konstrukcí a v neposlední řadě také výzkum a vývoj pohonných jednotek strojů a mobilních prostředků. Výzkumný program Konkurenceschopné strojírenství je zaměřený na následující oblasti VaV:


  • sofistikované struktury výrobních strojů a robotů s mechatronickými systémy,
  • nové pohonné jednotky strojů a mobilních prostředků,
  • vývoj a optimalizace bezpečných strojírenských konstrukcí,
  • progresivní technologie zpracování technických materiálů.

Výstupy této aktivity jsou plánovány s ohledem na potřeby aplikační sféry a na stávající partnerství s průmyslovými podniky. Dnes jsou zaměřeny zejména do oblastí mechatroniky, robotizace, řízení a využití umělé inteligence, bezpečnosti při práci a provozu strojů a zařízení, zvyšování životnosti strojů a zařízení, nových výrobních postupů a technologií, nových pohonných systémů a jednotek pro mobilní i stacionární zařízení atd.Synergii s výzkumným programem Materiálový výzkum, který bude v rámci projektu také realizován, lze nalézt v uplatňování nových nanotechnologií do oblasti výroby a zpracování materiálů.


Konkrétní popis výzkumných aktivit, cílů a očekávaných výstupů a výsledků:


  • Optimalizované nekonvenční struktury strojů, zařízení a mobilních prostředků s vyšším stupněm funkční integrace nových progresivních technologií zejména z oblasti mechatroniky, robotizace, řízení a umělé inteligence.
  • Mechatronické struktury základních uzlů textilních strojů s řízenými pohony a vlastní inteligencí. Individuální a skupinové systémy pohonu pracovních jednotek textilních strojů jako náhrada centrálních pohonů umožňující větší diverzifikaci výroby. Nové technologické linky na výrobu textilií tvořených nanovlákennými a dalšími textilními materiály.
  • Nové principy autonomních mechatronických systémů a uzlů s vlastní nezávislou inteligencí, vybavené potřebnou provozní diagnostikou. Tyto systémy budou vykazovat vyšší robustnost a spolehlivost při jednodušší a lehčí mechanické konstrukci a optimální spotřebu energie.
  • Experimentální metodika pro měření frikčních a adhezních vlastností materiálů úchopných prvků. Prototypy adaptivních chapadel s úchopnými prvky nové generace. Optimalizovaný algoritmus pro pokročilé zpracování obrazu a dat. Robustní software pro analýzu dat a vyhodnocování snímané scény. Optimalizovaný virtuální model servisního robotu, funkční vzorky a prototypy autonomní platformy a speciální nástavby včetně implementace systému robot vision s pokročilou metodou zpracování obrazu a bezdrátového řízení.
  • Nové pasivní a aktivní vibroizolační systémy s vysokou mírou integrace mechatronických prvků a jejich konstrukční aplikace k zajištění ochrany zdraví člověka před škodlivými účinky hluku a vibrací a k ochraně strojů a budov před následky nebezpečného kmitání. Nové pružicí a tlumicí prvky na bázi nových konstrukčních materiálů. Prvky a systémy pro snižování hladiny hluku strojů a mobilních prostředků s podstatným podílem nanovlákenných struktur.

Nové hybridní systémy pohonu mobilních i stacionárních prostředků s minimalizací výrobních a provozních nákladů, splňující budoucí limity emisí EURO 6 a limity pro skleníkové plyny s důrazem na použití nových druhů paliv z obnovitelných zdrojů.


  • Nové konstrukce interiérových a exteriérových dílů mobilních prostředků dopravy zvyšující bezpečnost chodců a posádky při kolizích a haváriích. Návrhy a prototypy speciálních mechatronických zařízení s vystřelovacím mechanismem a impaktorem pro měření biomechanických parametrů člověka.
  • Nové teoretické a experimentálně ověřené poznatky přispívající k vyššímu aplikačnímu využití a produktivitě stávajících strojírenských technologií a k vytváření nekonvenčních technologií budoucnosti s využitím plynů, kapalin, vakua, apod. Inovované stávající a netradiční technologické postupy a procesy umožní zvyšování produktivity práce, jakosti výrobků a snižování energetické náročnosti se zahrnutím rozvoje recyklačních technologií a snižování zátěže životního prostředí.
  • Optimalizované technologické postupy a metody obrábění dosahující maximální životnost a spolehlivost strojních součástí. Nové teoretické i praktické poznatky z oblasti vlivu podmínek obrábění a ekologických faktorů na parametry integrity povrchové vrstvy. Ověřené metody obrábění nové generace materiálů (nanomateriály, geopolymery).
  • Nové výrobní postupy a technologie s aplikací Rapid Prototyping a Rapid Manufacturing uplatňující vývojové materiály se zlepšenými mechanickými vlastnostmi a dosahující přesnější výrobu prototypů a zahrnující optimalizované metody pro zrychlení a zlevnění výroby modelů, nástrojů a dalších komponent. Ověřený funkční model nového zařízení pro inovované technologie Rapid Prototyping.

LABORATOŘE

Zásadním strategickým prostředkem pro dosažení dílčích cílů výzkumného programu je systémové propojení metod matematického a fyzikálních modelování teplotních, napěťových, deformačních a strukturních poměrů v konfrontaci s verifikačními experimenty na reálných tělesech, dílech či strojích. Významná je aplikace nových dynamických metod měření, identifikace nestacionárních procesů mechanických a mechatronických systémů a metod pro analýzu vibrací, hluku, útlumových charakteristik, tepelných toků, struktury a porušování těles, strojů a zařízení při cyklickém namáhání.

To v sobě spojuje nejrůznější aktivity od rešerší pramenných materiálů v publikacích knižního i seriálového typu, přes tvorbu a exploataci matematických a simulačních modelů až po experimentální výzkum komponentů a funkčních vzorků celých systémů. Zvláštní metodický důraz bude kladen na analýzu rozhodujících parametrů pro teoretické výpočty založené zejména na numerických metodách vhodných pro zpracování lineárních i nelineárních matematických modelů. Nosnou metodou jsou numerické simulace doplněné verifikovanými datovými výstupy a optimalizačními algoritmy, při jejichž vývoji budou využity metody funkcionální analýzy. Významným metodickým prostředkem výzkumu v oblasti procesní, materiálové a technologické optimalizace je vedle simulací také monitorizace procesů měřením teplotních, deformačních a dalších fyzikálních polí. Rovněž jsou významné aplikace nových indikačních a vizualizačních měřicích technik k identifikaci nestacionárních a rušivých stavů a zjištění jejich vlivů na spolehlivost mechatronických systémů a celkovou bezpečnost konkrétního řešení funkčního modelu.


Přehled laboratoří pro výzkumný program Konkurenceschopné strojírenství – za každou laboratoří bude proklik, kde bude garant, zaměstnanci, náplň každé laboratoře, projekty, zakázky


  • Hydrodynamická laboratoř
  • Laboratoř inovace textilních strojů
  • Laboratoř řízených elektrických pohonů a servomechanismů
  • Laboratoř robotických soustav
  • Laboratoř mechaniky
  • Laboratoř pohonných jednotek
  • Laboratoř progresivních strojírenských technologií
  • Laboratoř třískových technologií a procesů
  • Laboratoř prototypových technologií a procesů

PŘÍSTROJE – přehled zakoupených přístrojů za výzkumné programy, krátký popis + jeho využití, fotografie, kontaktní osoba – obsluhující technik, junior researcher?

PUBLIKACE, PATENTY - přehled publikací a ostatních výstupů vzniklých pod hlavičkou CxI, či za podpory projektů evidovaných na CxI


  • odkazy na konference
  • Registr recenzovaných, impaktovaných časopisů, databáze???