Bioniczny kompozyt komórkowy o właściwościach izolacyjnych wykonany w technologii addytywnej SLS

Artykuł dotyczy eksperymentalnego wyznaczania właściwości termoizolacyjnych prototypowych materiałów komórkowych i porowatych wykonanych technologią addytywną. Skoncentrowano się w niej na poszukiwaniu nowoczesnych rozwiązań dla termoizolacji, które mogłyby przyczynić się do poprawy efektywności energetycznej budynków, urządzeń lub instalacji. W tym celu wykonano wirtualne modele kompozytów przekładkowych z rdzeniem o bionicznej strukturze pianki otwartokomórkowej. Modele różniły się porowatością, średnicami porów i liczbą warstw. Zostały wydrukowane na drukarce 3D SLS. Jako materiał budulcowy wykorzystano nylon. Próbki przebadano za pomocą termoelektrycznej wersji aparatu Poensgena. Ustalono wpływ trzech niezależnych parametrów definiujących prototypowy materiał na jego właściwości termoizolacyjne. Właściwości cieplne przebadanych materiałów prototypowych porównano z dwiema poro-watymi izolacjami przemysłowymi – płytą PIR oraz pianką PUR.

Bionic cellular composite with insulation properties made using additive SLS technology

The article concerns the experimental determination of thermal insulation properties of prototype cellular and porous materials made using additive technology. It focuses on the search for modern solutions for thermal insulation that could contribute to improving the energy efficiency of buildings, devices, or installations. For this purpose, virtual models of sandwich panels with a core with a bionic structure of open-cell foam were made. The models differed in porosity, pore diameters and the number of layers. They were printed on an 3D SLS printer. Nylon was used as a building material. The samples were tested with the thermoelectric version of the Poensgen apparatus. The influence of three independent parameters defining the prototype material on its thermal insulation properties was determined. The thermal properties of the tested prototype materials were compared with two porous industrial insulations – PIR board and PUR foam.

*****

Całkowite zastąpienie paliw kopalnych odnawialnymi źródłami energii jest aktualnie niemożliwe, dlatego działania UE skupiają się na wymuszaniu i promowaniu aktywności prowadzących do podniesienia efektywności energetycznej urządzeń i instalacji, m.in. poprzez zastosowanie wysokowydajnych izolacji termicznych [1, 2, 3, 4].

Największy potencjał inwestycyjny w zakresie poprawy efektywności energetycznej w UE stanowi sektor budowlany. Budynki w UE odpowiadają za ok. 40% całkowitego zużycia energii i ok. 36% sumarycznej emisji gazów cieplarnianych. Aktualnie ok. 75% z nich jest nieefektywnych energetycznie.

Zmniejszenie strat energii oraz obniżenie emisji gazów cieplarnianych może zostać zrealizowane poprzez renowację istniejących budynków oraz stosowanie ekologicznych, energooszczędnych rozwiązań przy budowie nowych budynków. W tym celu należy stosować materiały izolacyjne, które jak najlepiej chronią przed utratą energii, ale też wywierają jak najmniejszy wpływ na środowisko naturalne w fazie produkcji, transportu, instalacji i eksploatacji [5].

Główną ideą niniejszego artykułu jest przebadanie właściwości termoizolacyjnych prototypowych materiałów komórkowych i porowatych wykonanych technologią addytywną (przyrostową). Badane prototypy izolacji mają bioniczną strukturę otwartokomórkową. Przy ich projektowaniu uwzględniono fakt, że materiały izolacyjne, techniki addytywne i bionika są często przedstawiane jako kierunki poszukiwań rozwiązań inżynierskich zgodnych z poszanowaniem środowiska naturalnego [6].

Struktury bioniczne (wytworzone przez naturę) charakteryzują się dużą złożonością, co zapewnia im niezwykłe właściwości, których odwzorowanie na potrzeby termoizolacji może przyczynić się do poprawy jej sprawności [1].

Produkcja materiałów o dużej złożoności strukturalnej z użyciem konwencjonalnych metod wytwarzania, takich jak odlewanie, obróbka ubytkowa i obróbka plastyczna, jest jednak często trudna, droga, a niekiedy nawet niemożliwa. W przypadku niekonwencjonalnych metod wytwarzania, którymi są techniki addytywne, wysoki poziom skomplikowania geometrii nie stanowi żadnej trudności. Dodatkowo wytwarzanie technikami przyrostowymi pozwala na wykorzystanie szerokiej gamy materiałów, w tym materiałów nieszkodliwych dla środowiska oraz zapewnia optymalne ich wykorzystanie, bez generowania odpadów lub z generowaniem ich w niewielkim stopniu [7, 8].

Materiały porowate, jak sama nazwa wskazuje, zawierają w swoim wnętrzu dużą liczbę porów. Składają się z fazy stałej, pomiędzy którą znajdują się przestrzenie wypełnione fazą płynną w postaci gazu lub cieczy. Dodatkowo występowanie fazy płynnej wewnątrz materiału porowatego musi zapewniać mu właściwości, dzięki którym jest on funkcjonalny. Materiałem porowatym nie można nazwać materiału, w którym pory są jedynie niepożądanymi defektami [9].

Wartość gęstości względnej materiału porowatego jest powiązana z jego budową wewnętrzną. Materiały o niskiej wartości tego parametru mają strukturę komórkową, która jest siecią połączonych ze sobą stosunkowo regularnych komórek wypełnionych płynem, które otacza osnowa z ciała stałego [10, 11]. Wzrost wartości gęstości wiąże się z pogrubianiem się osnowy i kurczeniem się porów. Przy wartościach wyższych od 0,3 struktura komórkowa zaczyna zanikać i materiał bardziej przypomina ciało stałe z odseparowanymi od siebie porami (RYS. 1–2). Z tego względu jako materiały komórkowe przyjmuje się materiały porowate o gęstości względnej mniejszej od 0,3 [10].

Wśród materiałów komórkowych można wyróżnić materiały o strukturze plastra miodu, w których komórki są kolumnami o przekroju w kształcie plastra miodu oraz materiały otwartokomórkowe (o otwartych porach) i zamkniętokomórkowe (o zamkniętych porach), w których komórki kształtem przypominają kule [11]. Szkic materiału o strukturze plastra miodu pokazano na RYS. 3, natomiast wizualizację komórek w materiale otwartokomórkowym oraz zamkniętokomórkowym przedstawiono na RYS. 4–5.

Badania struktury materiałów komórkowych rozpoczęto w latach 60. XVII wieku, kiedy to Robert Hooke użył terminu „komórka” do opisu struktury korka [12]. W późniejszym okresie William Thomson (Lord Kelvin) zdefiniował pojedynczą komórkę struktury materiału komórkowego jako tetrakaidekaedr, który został później nazwany czternastościanem Kelvina. Była to odpowiedź na tzw. problem Kelvina, czyli zagadnienie dotyczące podziału przestrzeni na komórki o jednakowych objętościach i jednocześnie minimalnej powierzchni ścian [13]. Warto zauważyć, że w ten sposób opisał strukturę monodyspersyjną, czyli strukturę, w której wszystkie komórki mają jednakową objętość, choć pianki występujące naturalnie są polidyspersyjne, a więc zawierają komórki o różnych rozmiarach i kształtach [13, 14].

Czternastościan Kelvina pokazano na RYS. 6. Jest on bryłą składającą się z sześciu kwadratowych ścian oraz ośmiu ścian w kształcie sześciokąta foremnego, w której każda z krawędzi ma jednakową długość [15]. W celu spełnienia warunku powierzchni minimalnej oraz dobrego wypełnienia przestrzeni bryłę należy lekko zdeformować. Ściany kwadratowe muszą mieć zakrzywione krawędzie, natomiast ściany sześciokątne muszą mieć zakrzywione powierzchnie [13].

W 1993 r. Denis Weaire oraz Robert Phelan zaproponowali lepsze rozwiązanie problemu Kelvina. Opisali strukturę składającą się z ośmiu komórek, z czego dwie są dwunastościanami o pięciokątnych ścianach, a pozostałe sześć – czternastościanami o dwunastu pięciokątnych i dwóch sześciokątnych ścianach. Struktura ta ma najmniejszą powierzchnię ze wszystkich znanych struktur monodyspersyjnych. Powierzchnia komórki w tymże modelu jest o 0,3% mniejsza od powierzchni komórki Kelvina. Model pianki Weaire’a-Phelana jest jednak bardziej skomplikowany geometrycznie od modelu Kelvina i składa się z komórek, które różnią się od siebie kształtem [13, 14, 16]. Jego wizualizację pokazano na RYS. 7.

Materiały komórkowe to materiały, w których wykorzystuje się strukturę zawierającą puste przestrzenie do uzyskania pożądanych właściwości. Właściwości te zależą od kształtu komórek oraz rodzaju tworzywa, z którego są wykonane. Materiały komórkowe dzielą się na gazowe, ciekłe i stałe. Gazowe materiały komórkowe są częścią astrofizyki (np. galaktyk), natomiast ciekłe materiały komórkowe są powszechne w przemyśle spożywczym (np. napoje gazowane). Analizowane w pracy materiały należą do grupy materiałów stałych. Stałe materiały komórkowe mogą być wykonane z polimerów, metali i materiałów ceramicznych. Najbardziej skomercjalizowanymi materiałami komórkowymi są materiały polimerowe [17].

Materiały komórkowe i porowate w naturze

Wiele z materiałów występujących w środowisku naturalnym to materiały porowate i komórkowe. Przykładami materiałów naturalnych o strukturze plastra miodu są drewno oraz korek (FOT. 1–2). Materiałami otwartokomórkowymi występującymi w naturze są m.in. materiały budujące łodygi roślin czy kości beleczkowe (FOT. 3–4). Struktury tego typu występują także jako rdzenie w naturalnych materiałach warstwowych, takich jak długie i wąskie liście roślin (np. irysa) czy kości czaszki (FOT. 5–6). Mogą także stanowić wypełnienie struktur cylindrycznych, m.in. łodyg roślin i kolców zwierząt (FOT. 7–8), w których odpowiadają za podtrzymanie gęstszej powłoki zewnętrznej, zwiększając jej odporność na odkształcenia [18].

Struktura porowata materiałów występujących naturalnie zapewnia im wyjątkowe właściwości. Dzięki niej charakteryzują się one niską masą, dużą wytrzymałością mechaniczną oraz dobrymi właściwościami termoizolacyjnymi [12, 19]. Cechy te ma m.in. kość ludzka, której wypełnienie stanowi materiał komórkowy. Dzięki temu układ kostny jest w stanie podpierać ciało, umożliwiać mu ruch oraz chronić narządy wewnętrzne. Niezwykłe właściwości naturalnych materiałów porowatych powodują, że są one powszechnie wykorzystywane w zastosowaniach inżynierskich. Dla przykładu, produkty wykonane z korka stosuje się w wielu sektorach przemysłu, takich jak budownictwo, motoryzacja, lotnictwo i kosmonautyka, natomiast drewno stanowi niezwykle istotny materiał budowlany, wykorzystywany m.in. do budowy domów czy łodzi [20].

Interdyscyplinarna nauka, zajmująca się badaniem organizmów żywych (zwierząt, roślin) oraz materiałów i procesów występujących w środowisku naturalnym w celu wykorzystania rozwiązań wypracowanych przez naturę w technice, nazywana jest bioniką lub biomimetyką (gr. bios − życie oraz mimesis – naśladować). Choć czerpanie inspiracji z natury towarzyszy ludzkości od niepamiętnych czasów, specjaliści szacują, że dotychczas wykorzystuje się jedynie niespełna 10% z możliwych do wdrożenia rozwiązań bionicznych. Z tego względu poszukiwanie nowych, bionicznych rozwiązań technicznych, w tym także opracowywanie bionicznych materiałów porowatych (komórkowych) stanowi obszar zainteresowań wielu badaczy [21, 22, 23].

Materiały porowate stanowią ważny element światowej gospodarki. Są powszechnie wykorzystywane w wielu jej sektorach, takich jak budownictwo, biotechnologia, przemysł motoryzacyjny, lotniczy oraz energetyczny. Wykorzystuje się je do produkcji artykułów sportowych, rekreacyjnych oraz różnego typu opakowań.

Największy udział spośród wszystkich materiałów porowatych stanowią pianki polimerowe, które zazwyczaj wykonuje się z poliuretanu, polistyrenu, poliolefinów, melaminy, fenolu i polichlorku winylu [24]. Struktura ciał komórkowych i porowatych stale stanowi przedmiot badań naukowców i inżynierów. Nowoczesne techniki analizy powalają na coraz lepsze zrozumienie ich właściwości. Stale powiększa się także zakres materiałów, z których można je wykonywać, co daje nowe możliwości ich zastosowania [12].

Materiały kompozytowe wykonane w technologii addytywnej SLS

Kompozyty to materiały składające się z dwóch lub więcej komponentów (faz), które różnią się właściwościami. Połączenie tychże składowych kompozytu daje mu nowe, lepsze właściwości w stosunku do osobno użytych komponentów lub właściwości wynikających z prostego sumowania. Materiały kompozytowe są zewnętrznie monolityczne, jednak widoczne są w nich (niekoniecznie gołym okiem) granice między poszczególnymi komponentami [28].

Do izolacji cieplnej wykorzystuje się głównie kompozyty o osnowie betonowej i polimerowej. W większości przypadków zawierają one fazę porowatą, która zapewnia im właściwości izolacyjne, lecz wpływa negatywnie na ich właściwości mechaniczne, które są istotne w przypadku kompozytów konstrukcyjnych. Stosowanie materiału konstrukcyjnego, który jest izolatorem termicznym, jest alternatywą dla łącznego stosowania dwóch rodzajów materiałów – materiału konstrukcyjnego (który nie jest izolatorem termicznym) i materiału termoizolacyjnego (który nie jest materiałem konstrukcyjnym). Stworzenie kompozytu konstrukcyjnego o dobrych właściwościach izolacyjnych jest jednak stosunkowo trudne [29].

Prototypowe materiały izolacyjne, których badania cieplne są tematem niniejszego artykułu, to wykonane metodą druku 3D kompozyty o rdzeniu otwartokomórkowym. Zastosowana w nich struktura przekładkowa została zaczerpnięta z bioniki, do czego przyczyniła się obserwacja niezwykłych właściwości wielowarstwowych materiałów budujących organizmy żywe [21].

Kompozyty są w pełni wykonane z jednego z dostępnych dla druku SLS polimeru – nylonu. Ich rdzeń charakteryzuje się idealną, okresową i izotropową strukturą opartą na opisanym modelu Kelvina. Jedyną zmianą w stosunku do niego jest pominięcie zakrzywienia krawędzi ścian kwadratowych oraz powierzchni ścian sześciokątnych. W takim przypadku struktura wygląda jak ta przedstawiona na RYS. 8.

Do zamodelowania struktury prototypowych materiałów otwartokomórkowych wykorzystano program Autodesk Inventor. Parametry komórek dla przebadanych prototypowych materiałów zestawiono w TABELI. Brane pod uwagę są materiały o czterech różnych średnicach porów (d = 4 mm, d = 6 mm, d = 8 mm, d = 10 mm), a dla każdej ze średnic drukowane są po dwa warianty próbek różniące się porowatością (ε = 0,95 i ε = 0,90).

Oprócz wpływu wspomnianych wcześniej dwóch niezależnych zmiennych (średnica porów d i porowatość ε) opisujących geometrię struktury porowatej badanych prototypowych materiałów na ich właściwości izolacyjne, przebadano również wpływ trzeciego parametru, którym jest liczba warstw. Przeanalizowano kompozyty jedno-, dwu- i trójwarstwowe, których szkice poglądowe wraz z oznaczonymi wymiarami próbek do badań cieplnych pokazano na RYS. 9. Każdy typ warstwowości wykonano w ośmiu wariantach rdzenia, których parametry znajdują się w TABELI. Łącznie przygotowano do druku 24 modele.

Wirtualne modele wykonano w taki sposób, aby osobno wydrukowane zostały rdzenie oraz przekładki kompozytu warstwowego. Jako grubość przekładki przyjęto najmniejszą możliwą wielkość elementu wg specyfikacji drukarki Sinterit Lisa, która wynosi 0,1 mm. Szerokość i długość próbki wynoszą po 50 mm. Grubość rdzenia zależy od liczby warstw kompozytu. Jej wartość musi wynosić tyle, aby wysokość całego kompozytu była równa 20 mm. Wizualizację przykładowej geometrii w formacie STL przygotowanej do kolejnego etapu procesu tworzenia wydruków poprzez drukowanie przestrzenne pokazano na RYS. 10, natomiast przykładowych rdzeni kompozytów i przygotowanych do badań cieplnych kompozytów na FOT. 9–12.

Badania cieplne prototypowego materiału komórkowego

Każdy z testowanych na potrzeby niniejszej pracy materiałów termoizolacyjnych został przebadany na stanowisku pomiarowym znajdującym się w Laboratorium Materiałów i Urządzeń Cieplnych Wydziału Mechaniczno-Energetycznego Politechniki Wrocławskiej. Stanowisko jest wyposażone w termoelektryczną wersję aparatu Poensgena, który umożliwia eksperymentalne wyznaczenie współczynnika przewodzenia ciepła λ oraz oporu cieplnego R materiału [19, 30, 31, 32].

Pomiary testowanych próbek materiałów izolacyjnych wykonano dla dwóch wariantów przepływu ciepła. W pierwszym z nich ciepło było przekazywane od góry do dołu. Aparat Poensgena ustawiono tak, by dolna powierzchnia próbek była chłodzona, natomiast górna – grzana.

W drugim wariancie ciepło miało przepływać z dołu do góry. W tym przypadku aparat Poensgena został przełączony tak, by to górna powierzchnia próbki była chłodzona, natomiast ogrzewana była dolna powierzchnia.

Podczas badań temperatura po stronie chłodzonej była utrzymywana na poziomie –20°C, natomiast po stronie grzanej – na poziomie +20°C. Przyjęte wartości temperatur odpowiadają typowym stanom pracy izolacji termicznych w budownictwie, przemyśle spożywczym oraz w transporcie mrożonek [19]. Każdy z pomiarów wymagał ustalenia stanu równowagi termicznej. Rejestrowano go, monitorując stabilność wartości mierzonych. Ponadto każdy wykonywany pomiar powtórzono trzykrotnie w celu uzyskania bardziej dokładnych wyników. W celach porównawczych oprócz próbek prototypowych materiałów przebadano również próbki dwóch izolacji przemysłowych. Pierwszą z nich jest otwartokomórkowa pianka poliuretanowa przedstawiona na FOT. 13–15. Podawana przez producenta wartość współczynnika przewodzenia ciepła w typowych warunkach użytkowania dla tego materiału wynosi λ = 0,035 W/(m·K).

Drugim z przebadanych w celach porównawczych materiałów była płyta izolacyjna PIR z rdzeniem w postaci zamkniętokomórkowej pianki poliuretanowej, dla której według producenta przewodność cieplna wynosi λ = 0,022 W/(m·K). Próbkę z płyty PIR pokazano na FOT. 15.

Omówienie wyników

W wykonanych doświadczeniach sprawdzano wpływ geometrii struktury rdzeni oraz warstwowości na właściwości cieplne prototypowych kompozytów przekładkowych. Przebadano próbki różniące się średnicami porów w rdzeniu d, jego porowatością ε oraz liczbą warstw kompozytu przekładkowego n. Oprócz tego zbadano związek między uzyskanymi wartościami współczynnika λ oraz oporu cieplnego R a kierunkiem przepływu ciepła. Wyniki badań pokazano na RYS. 11–14. Na każdy z tychże wykresów naniesiono również wyniki pomiarów dla dwóch izolacji przemysłowych (płyty PIR oraz pianki PUR).

Analizując uzyskane wyniki badań, można zauważyć, że zmiana kierunku przepływu ciepła ma znaczący wpływ na uzyskane wartości przewodności cieplnej λ oraz oporu cieplnego R. Przy przepływie ciepła z góry do dołu wartości współczynnika λ są mniejsze, natomiast oporu R są większe niż przy przepływie ciepła z dołu do góry. Można także zauważyć, że w przypadku prototypowych materiałów komórkowych w przebadanym zakresie średnic porów (4–10 mm), im większa średnica d, tym większa wartość współczynnika λ i mniejsza wartość oporu R.

Wpływ porowatości ε na wartości obu badanych parametrów cieplnych (λ i R) dla obydwóch jej wariantów (ε = 0,90 i ε = 0,95) nie jest tak znaczący, jak wpływ średnicy porów d. Nie można jednoznacznie określić, dla którego z wariantów porowatości uzyskuje się lepsze właściwości cieplne dla każdej uwzględnianej w badaniach średnicy d oraz liczbę warstw n.

Kolejnym czynnikiem, który wywiera duży wpływ na parametry cieplne prototypowych materiałów izolacyjnych, jest warstwowość. Zwiększenie liczby warstw kompozytu powoduje spadek wartości przewodności cieplnej λ oraz wzrost wartości oporu cieplnego R. Tendencja ta jest o wiele bardziej widoczna w przypadku większych średnic porów d, w przypadku materiałów o najmniejszej badanej średnicy porów d = 4 mm jest praktycznie niezauważalna.

Przebadane przemysłowe izolacje cieplne charakteryzują się lepszymi właściwościami cieplnymi niż zaprojektowane, prototypowe materiały komórkowe. Świadczy o tym fakt, że osiągają one mniejsze wartości współczynnika λ oraz większe wartości oporu R. Jedynie w przypadku prototypowego kompozytu trójwarstwowego dla przepływu ciepła z góry do dołu uzyskano bardzo zbliżone do wyników pianki PUR wartości badanych parametrów cieplnych.

Najlepsze właściwości cieplne spośród przebadanych materiałów prototypowych mają kompozyty o niskich wartościach średnic porów d charakteryzujące się porowatością ε = 0,95 oraz te z większą liczbą warstw n. Uzyskane dla prototypowych materiałów komórkowych wartości współczynnika przewodzenia ciepła λ zawierają się w zakresie 0,038–0,062 W/(m·K) dla chłodzenia dolnego oraz 0,048–0,067 W/(m·K) dla chłodzenia górnego. Wyznaczony opór cieplny R dla chłodzenia dolnego przyjmuje wartości z zakresu 0,032–0,052 (m²·K)/W, natomiast dla chłodzenia górnego zawiera się w zakresie 0,030–0,041 (m²·K)/W.

Podsumowanie

Stale rozwijające się techniki addytywne oferują coraz większe możliwości nie tylko w zakresie prototypowania, ale także w zakresie wytwarzania gotowych obiektów. Ich ogromną zaletą jest możliwość tworzenia wydruków o bardzo skomplikowanej geometrii z szerokiej gamy dostępnych materiałów, których duża część jest przyjazna dla środowiska naturalnego. Druk 3D jest także doceniany ze względu na niski poziom generowania odpadów. Z uwagi na te zalety może on posłużyć do wytwarzania materiałów izolacyjnych o złożonej strukturze, które można wykorzystać do poprawy efektywności energetycznej urządzeń i instalacji.

Celem badań było określenie właściwości cieplnych prototypowych kompozytów przekładkowych o rdzeniu otwartokomórkowym wykonanych w technologii SLS pod kątem możliwości ich zastosowania do izolacji termicznej. Wykorzystanie w tym celu technik addytywnych umożliwiło wytworzenie próbek materiałów różniących się parametrami definiującymi ich strukturę i sprawdzenie, dla jakich parametrów osiąga się najlepsze właściwości izolacyjne. Uzyskana różnica w wartościach przewodności λ oraz oporu cieplnego R dla chłodzenia dolnego i górnego wynika z faktu występowania konwekcyjnej wymiany ciepła.

W przypadku chłodzenia górnego mamy do czynienia z większą intensywnością ruchu (unoszeniem) makroskopowych części powietrza znajdującego się w porach materiałów komórkowych, a co za tym idzie – większą wartością strumienia przepływającego przez izolację ciepła. W związku z tym w przypadku chłodzenia górnego uzyskuje się większe wartości współczynnika λ i mniejsze wartości oporu cieplnego R.

Pogarszanie właściwości izolacyjnych przy wzroście średnicy porów d materiału komórkowego w dużej mierze jest podyktowane zwiększeniem konwekcji wewnątrz porów. Ruch powietrza wewnątrz materiału można jednak ograniczyć poprzez zastosowanie większej liczby przekładek (wzrost liczby warstw n), stąd najlepsze właściwości cieplne uzyskiwano dla materiałów trójwarstwowych.

Materiały termoizolacyjne spełniają swoją funkcję dzięki zatrzymywaniu w swoim wnętrzu gazu o niskim współczynniku przewodzenia ciepła λ. Jednak, aby go zatrzymać, materiał izolacyjny musi posiadać odpowiednią osnowę z ciała stałego, która ogranicza promieniowanie cieplne oraz ruchy konwekcyjne. Dlatego właśnie podczas badań zaobserwowano wpływ porowatości ε na właściwości cieplne prototypowych materiałów komórkowych. Dla każdej średnicy porów d istnieje jednak inna wartość optymalnej porowatości ε, stąd nie da się jednoznacznie określić, która z dwóch przebadanych wartości porowatości (ε = 0,90 i ε = 0,95) jest najbardziej korzystna dla wszystkich przebadanych struktur.

Porównując właściwości przebadanych materiałów prototypowych z dwiema porowatymi izolacjami przemysłowymi, można zauważyć, że prototypy mają zdecydowanie gorsze właściwości izolacyjne niż płyta PIR, ale tylko nieznacznie słabsze od pianki PUR. Należy jednak zwrócić uwagę, że płyta PIR zawiera rdzeń o strukturze zamkniętokomórkowej, a materiały tego typu charakteryzują się niższymi wartościami współczynnika λ od materiałów otwartokomórkowych, choć nie zawsze są lepszym rozwiązaniem ze względu m.in. na niską przepuszczalność gazów [32]. Badana pianka PUR ma natomiast strukturę otwartokomórkową, tak samo jak zaprojektowane materiały prototypowe, więc zdaje się być lepszym materiałem do porównań. Najlepszymi pod względem właściwości termoizolacyjnych wariantami zaprojektowanych materiałów wydają się być wszystkie kompozyty z rdzeniem o średnicy porów równej d = 4 mm oraz porowatości ε = 0,95, dla których w obu wariantach kierunku przepływu ciepła otrzymano wartości współczynników λ mniejsze od 0,050 W/(m·K) oraz wartości oporu R większe niż 0,40 (m²·K)/W.

Uzyskane na podstawie badań wartości współczynnika przewodzenia λ oraz oporu cieplnego R dla prototypowych materiałów komórkowych wykonanych w technologii addytywnej pozwalają na stwierdzenie, że część z nich ma bardzo dobre właściwości termoizolacyjne, które są porównywalne z właściwościami powszechnie stosowanych do izolacji cieplnej materiałów, np. pianki PUR, wełny mineralnej czy celulozowej. Wyniki badań dają także podstawy do ich rozszerzenia w celu optymalizacji geometrii struktury zaprojektowanych kompozytów pod kątem konkretnego zastosowania.

Literatura

 1. B. Grabowska, K. Wiśniewski, K. Bawolski, „Propozycja materiału termoizolacyjnego inspirowanego naturą w technologii druku 3D”, „Chłodnictwo & Klimatyzacja” 12-1/2020, s. 60–63.
 2. A. Piziak-Rapacz, „Zarządzanie bezpieczeństwem energetycznym Polski a ekologia”, „Bezpieczeństwo. Teoria i Praktyka” nr 1, s. 45–60.
 3. T. Skoczkowski, S. Bielecki, „Środki poprawy efektywności energetycznej w przemyśle i ich ocena”, „Energetyka” 1/2016, s. 9–14.
 4. M. Woźniak, B. Saj, „Wpływ polityki energetycznej na zmiany klimatu w opinii młodzieży województwa podkarpackiego”, „Zeszyty Naukowe Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN”, 109/2019, s. 199–214.
 5. J. Sierra-Perez, J. Boschmonart-Rives, X. Gabarrell, „Environmental assessment of façade-building systems and thermal insulation materials for different climatic conditions”, „Journal of Cleaner Production” 113/2016, s. 102–113.
 6. B. Anwajler, R. Spychaj, P. Wójcik, A. Piwowar, „Doświadczalne wyznaczenie właściwości cieplnych prototypowych materiałów izolacyjnych wykonanych technologią druku 3D”, „Rynek Energii” 6/2021, s. 44–51.
 7. H. Dodziuk, „Druk 3D/AM: zastosowania oraz skutki społeczne i gospodarcze”, PWN, Warszawa 2019.
 8. P. Siemiński, G. Budzik, „Techniki przyrostowe. Druk 3D. Drukarki 3D”, Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa 2015.
 9. P.S. Liu, G.F. Chen, „Porous materials: processing and applications”, „Elsevier”, [b.m.] 2014.
10. L.J. Gibson, M.F. Ashby, „Cellular solids: Structure and properties”, Cambridge University Press, [b.m.] 1999.
11. H. Zhao, „Cellular materials under impact loading”, Lecture notes 12, „Centre of Excellence for Advanced Materials and Structures”, Warszawa 2004.
12. Y.A. Cengel, „Heat transfer: a practical approach”, McGraw Hill, [b.m.] 2002.
13. K. Reimer, „Skandal z pianą, czyli Afrodyta topologiczna”, Delta 10/2015.
14. A.M. Kraynik, „Foam structure: from soap froth to solid foams”, MRS Bulletin, 28 (4)/2003, s. 275–278.
15. N.J. Mills, „The high strain mechanical response of the wet Kelvin model for open-cell foams”, „International Journal of Solids and Structures” 44/2007, s. 51–65.
16. Z.A. Qureshi, E. Elnajjar, O. Al-Ketan, R.A. Al-Rub, S.B. Al-Omari, „Heat transfer performance of a finned metal foam-phase change material (FMF-PCM) system incorporating triply periodic minimal surfaces (TPMS)”, „International Journal of Heat and Mass Transfer”, 170/2021.
17. G.M. Gladysz, K. Chawla, „Voids in materials: from unavoidable defects to designed cellular materials”, „Elsevier”, [b.m.] 2014.
18. L.J. Gibson, „Biomechanics of cellular solids”, „Journal of Biomechanics” 38 (3)/2005, s. 377–399.
19. B. Anwajler, „The thermal properties of a prototype insulation with a gyroid structure – optimization of the structure of a cellular composite made using SLS printing technology”, „Materials”, 15 (4)/2022, art. 1352, s. 1–18.
20. I. Duarte, N. Peixinho, A. Andrade-Campos, R. Valente, „Special issue on cellular materials”, „Science and Technology of Materials”, 30 (1)/2018, s. 1–3.
21. B. Grabowska, „Materiały termoizolacyjne – wybrane aspekty bioinspiracji w klimatyzacji i chłodnictwie”, „Chłodnictwo & Klimatyzacja”, 10/2017, s. 60–63.
22. A. Ruszaj, „Bionika w rozwoju inżynierii produkcji”, „Mechanik” 5/6/2016, s. 350–355.
23. A. Ruszaj, „Wybrane aspekty bioinspiracji w rozwoju przemysłu”, „Przegląd Spawalnictwa,” 3/2018, s. 52–56.
24. G.M. Gladysz, K. Chawla, „Voids in materials: from unavoidable defects to designed cellular materials”, wyd. 2, „Elsevier”, [b.m.] 2020.
25. D.M.S. Al-Homoud, „Performance characteristics and practical applications of common building thermal insulation materials”, „Building and Environment” 40/2005, s. 353–366.
26. B. Abu-Jdayil, A.-H. Mourad, W. Hittini, M. Hassan, S. Hameedi, „Traditional, state-of-the-art and renewable thermal building insulation materials: an overview”, „Construction and Building Materials”, 214/2019, s. 709–735.
27. M.R. Hall, „Materials for energy efficiency and thermal comfort in buildings”, „Woodhead Publishing”, [b.m.] 2010.
28. A. Boczkowska, G. Krzesiński, „Kompozyty i techniki ich wytwarzania”, Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa 2016.
29. D.D.L. Chung, „Composite materials: functional materials for modern technologies”, Springer, London 2003.
30. B. Grabowska, J. Kasperski, „Elastyczna izolacja z tworzywa sztucznego – wpływ rodzaju użytego tworzywa na wymianę ciepła przez promieniowanie”, „IZOLACJE” 9/2019, s. 94–97.
31. B. Grabowska, J. Kasperski, „The thermal conductivity of 3D printed plastic insulation materials – the effect of optimizing the regular structure of closures”, „Material” 2020, vol. 13, nr 19, art. 4400, s. 1–16.
32. B. Grabowska, J. Kasperski, „Modeling of thermal properties of thermal insulation layered with transparent, opaque and reflective film”, „Journal of Thermal Science” 2018, vol. 27, nr 5, s. 463–469.