Externally Funded Research Projects

Current and Ongoing Projects:

- Model numeryczny całkowicie wszczepialnej protezy serca (M.Pietrzyk, M.Kopernik, A.Milenin, K.Banas, P.Maciol)

Projekt dotyczy opracowania modelu protezy sztucznego serca z opcją lokalnego modelowania wieloskalowego. Istotą projektu jest stworzenie kompleksowego modelu numerycznego, pozwalającego na analizę problemów, które stwarza aplikacja protezy w warunkach przepływu krwi. Problemy te należą do wyjątkowo złożonych i obejmują konstrukcję prototypu (optymalizacji wybranych parametrów geometrycznych, jej wpływu na przepływ i zachowanie się krwi), opracowanie modelu reologii krwi, modelowanie zagadnień z zakresu bioinżynierii materiałowej dotyczących interakcji materiału biologicznego i sztucznego, stworzenie modeli matematycznych testów doświadczalnych wykonywanych dla nanopowłok tworzących ścianę komory oraz identyfikację parametrów w równaniach konstytutywnych dla nanopowłok. Wszystkie z wymienionych tematów badawczych wymagają rozwoju istniejącego własnego oprogramowania i, w niektórych przypadkach, stworzenia nowych programów. Dotychczas prowadzone przez oferenta prace znajdują się na etapie takiego zaawansowania, które umożliwia zrealizowanie postawionych w projekcie zadań. Koszt wykonywania kolejnych wariantów prototypów i późniejszych fizycznych badań modelowych można obniżyć stosując symulacje numeryczne i likwidując przeszkodę w postaci braku dostatecznie dokładnego modelu nieliniowej reologii krwi, oddziaływań na poziomie mikro pomiędzy materiałem sztucznym i biologicznym oraz właściwości materiałów konstrukcyjnych. Niniejsze zadanie projektu ma na celu wyeliminowanie tego ograniczenia i stworzenie rozwiązania numerycznego, wspomagającego projektowanie i wdrażanie Polskiego Sztucznego Serca.

Planowane do wykonania w projekcie badania i prace będą obejmować wprowadzenie i przystosowanie geometrii prototypu protezy serca do programu opartego na metodzie elementów skończonych, a następnie zbudowanie kompletnego modelu matematycznego protezy z uwzględnieniem lokalnej wieloskalowości. Równocześnie z tymi zadaniami będą prowadzone prace mające na celu rozwój oprogramowania związanego z identyfikacją parametrów modeli konstytutywnych nanomateriałów tworzących ścianę protezy serca na podstawie wyników nanotestów doświadczalnych i budowę modeli matematycznych takich testów. W ramach projektu przewidziano także opracowanie modelu numerycznego reologii krwi i zamodelowanie interakcji krew–ściana protezy serca oraz przeprowadzenie symulacji numerycznych stworzonym modelem MES protezy w zmiennych warunkach przepływu, co będzie całkowicie realizowane we własnym oprogramowaniu. Wyniki wykonanych testów numerycznych zostaną wykorzystane jako dane dla metamodelu, który umożliwi przewidywanie i prognozowanie działania modelu protezy nawet w warunkach, w jakich model nie był wcześniej testowany. Metoda metamodelu zostanie wykorzystana w zadaniach optymalizacji, co pozwoli na obniżenie kosztów obliczeń.

W ramach projektu badania doświadczalne, obejmujące zaawansowaną diagnostykę materiałową i modelowanie fizyczne, będą zintegrowane z zaproponowanym modelem numerycznym, który wykorzystuje podejście wieloskalowe. Zasugerowany, kompleksowy charakter realizacji projektu pozwala na transfer wiedzy teoretycznej i doświadczalnej dla celów budowy złożonych modeli numerycznych, oraz przekazanie informacji zwrotnej, prognozującej zachowanie protezy sztucznego serca na podstawie obliczeń symulacyjnych i przewidywań sieci neuronowych. Docelowym zastosowaniem modelu opracowanego w ramach projektu jest zautomatyzowane i wielokrotnie tańsze projektowanie oraz testowanie prototypów komory wspomagania serca. Pozwoli to na zminimalizowanie ryzyka związanego z implantacją sztucznego serca oraz ograniczenie kosztu wytworzenia jednostkowego urządzenia. Zwiększy się dostępność sztucznego serca dla szerszej grupy pacjentów, umożliwiając im leczenie i powrót do zdrowia przy mniejszym ryzyku. Wynikiem realizacji tego zadania projektu będzie nowe, numeryczne narzędzie badawcze wspomagające projektowanie prototypu protezy serca w warunkach przepływu z możliwością symulowania zjawisk zachodzących we krwi i na kontakcie krew – ściana komory.

- The modeling and optimization of wire drawing process of magnesium alloys with raising bio-compatibility for surgery application (A.Milenin, P.Kustra, M.Packo, T.Rec)

Projekt podejmuje złożoną tematykę analizy procesu ciągnienia stopów magnezu o podwyższonej biozgodności (np. AZ31, AZ91, MgCa). Takie stopy są wykorzystywane w biomedycynie ze względu na wysoki poziom kompatybilności ze środowiskiem organizmu człowieka, rozpuszczalnością w środowisku organizmu, oraz wyższą (około 2-4 razy) charakterystyką wytrzymałościową w porównaniu z polimerami. Jednym z ich zastosowań może być produkowanie materiałów na resorbowalne nici chirurgiczne do scalania tkanki miękkiej. Wymaga to produkowania drutów o średnicach 0,1-0,9 mm. W literaturze, dotyczącej przeróbki plastycznej stopów Mg stwierdzono, że ciągnienie ich na zimno - ze względu na małą plastyczność i kruchość materiału - jest praktycznie niemożliwe. W pracach, poświęconych ciągnieniu stopów trudnoodkształcalnych pokazano, że ciągnienie na ciepło pozwala zwiększyć wydłużenie i zmniejszyć siłę ciągnienia. Z drugiej strony, podgrzewanie wsadu ze stopu Mg powoduje intensywne utlenienie powierzchni, a metal w trakcie przemieszczania się do kotliny odkształcenia traci temperaturę. W celu rozwiązania tego problemu w Uniwersytecie w Hanowerze została zaproponowana technologia ciągnienia rur do implantów ze stopów Mg, według której metal jest nagrzewany w procesie ciągnienia przez podgrzewane ciągadło. Problemy realizacji tej technologii dla drutów o małych średnicach są istotnie związane z zależnością wszystkich parametrów procesu (w szczególności temperatury) od prędkości ciągnienia i parametrów podgrzewania ciągadeł.

Celem naukowym projektu jest określenie parametrów procesu ciągnienia w podgrzewanych ciągadłach drutów cienkich ze stopów Mg o podwyższonej biozgodności ze środowiskiem organizmu człowieka. Dobór i optymalizacja parametrów technologii ciągnienia będzie przeprowadzona w oparciu o numeryczne i fizyczne modelowanie procesu ze szczególnym uwzględnieniem procesów cieplnych i tendencji do pękania. Przeprowadzona zostanie również weryfikacja eksperymentalna zaproponowanej technologii.

Jako że stopy Mg cechuje wzrost plastyczności w temperaturze powyżej 220 0C, to istotą projektu jest opracowanie metody, w której wszystkie ciągi (oprócz 1-2 ostatnich) realizowane są na ciepło z wykorzystaniem podgrzewanego narzędzia, natomiast w ostatnich ciągach realizowane jest ciągnienie drutów na zimno w celu uzyskania odpowiednich własności mechanicznych. Podstawowym krokiem do osiągnięcia celu projektu będzie stworzenie własnego modelu numerycznego procesów ciągnienia drutów na ciepło i na zimno z uwzględnieniem podgrzewania narzędzia, nagrzewania metalu w stożku zgniatającym ciągadła oraz tendencji do pękania. Proponowany model będzie oparty o metodę elementów skończonych i zrealizowany w postaci programu komputerowego, zawierającego narzędzie do optymalizacji. Niezbędne badania plastometryczne stopów Mg w warunkach, odpowiadających rozpatrywanemu procesowi ciągnienia będą wykonane za pomocą symulatora GLEEBLE 3800. Badania wytrzymałościowe do uzyskania parametrów modelu pękania będą wykonane za pomocą maszyn wytrzymałościowych oraz symulatora GLEEBLE 3800 przy wykorzystaniu metody „inverse” do obróbki wyników. W oparciu o symulacje komputerowe określone zostaną optymalne wartości temperatury narzędzia, prędkości ciągnienia, plan gniotów, kształt ciągadeł oraz stopień odkształcenia na ciepło i na zimno, co powinno pozwolić na uzyskanie odpowiednich własności materiału (wytrzymałości na rozciąganie, plastyczności) oraz dobrej jakości powierzchni drutów. W projekcie przewidywano także doświadczalną weryfikację otrzymanych parametrów procesu ciągnienia przez wyprodukowanie i przetestowanie eksperymentalnej partii drutów ze stopów Mg oraz wyznaczenie warunków tarcia dla różnych stosowanych smarów i stopów za pomocą metody „inverse”.

Projekt wniesie wkład w rozwój badań naukowych w dziedzinie metod produkowania drutów ze stopów Mg o podwyższonej biozgodności w dwóch obszarach. W pierwszej kolejności stworzone zostanie narzędzie numeryczne, które umożliwi modelowanie i optymalizację procesu ciągnienia drutów ze szczególnym uwzględnieniem tendencji do pękania i procesów cieplnych w podgrzewanym ciągadle i metalu. Drugim bardzo istotnym osiągnięciem projektu będzie podjęta analiza granicznej możliwości produkowania drutów o małych średnicach przez ciągnienie w podgrzewanym ciągadle wytypowanych stopów Mg o podwyższonej biozgodności.

- Opracowanie wieloskalowego modelu numerycznego procesu ciągnienia na zimno drutów z niskoplastycznych stopów magnezu o podwyższonej biozgodności (A.Milenin, J.Luksza, P.Kustra, D.Byrska, L.Rauch, T.Rec, M.Rumynski)

Stopy magnezu (np. AZ80, MgCa0,8, LAE442) są wykorzystywane w medycynie ze względu na wysoki poziom kompatybilności z środowiskiem organizmu człowieka, biozgodności, rozpuszczalność, oraz wysokie charakterystyki wytrzymałościowe w porównaniu z wykorzystywanymi obecnie materiałami. Dlatego możliwe jest zastosowanie stopów Mg do produkcji cienkich drutów z przeznaczeniem na resorbowalne nici chirurgiczne do spajania tkanki miękkiej.

Istniejące metody produkowania drutów z rozpatrywanych stopów są oparte o technologie podgrzewania wsadu, na przykład, przez narzędzie. Wykorzystanie takich metod do produkowania drutów o małych średnicach (do 0.1 mm) napotyka na poważne problemy, związane z istotną niestabilnością procesu ciągnienia przy zmianach prędkości ciągnienia, temperatury narzędzia, stanu powierzchni wsadu, warunków tarcia oraz niemożliwością uzyskania dobrej jakości powierzchni. Z tego wynika zainteresowanie maksymalnym wykorzystaniem możliwości ciągnienia na zimno. W literaturze, dotyczącej przeróbki plastycznej stopów Mg stwierdzono, że ciągnienie ich na zimno jest praktycznie

niemożliwe ze względu na małą plastyczność i kruchość. Natomiast w ostatnich latach pojawiły się prace, w których poprzez doświadczalny dobór warunków ciągnienia udaje się osiągnąć odkształcenie stopów Mg powyżej 60%. Ta informacja daje podstawy twierdzenia, że są niewykorzystane możliwości istotnego powiększenia plastyczności stopów Mg podczas ciągnienia przy temperaturze pokojowej. Optymalizacja procesów ciągnienia stopów Mg w oparciu o modelowanie matematyczne wymaga opracowania nowych wieloskalowych metodyk modelowania procesów pękania oraz zerwania materiału w zależności od parametrów narzędzi, planu gniotów, mikrostruktury materiału.

Celem naukowym projektu jest opracowanie wieloskalowego modelu matematycznego procesu ciągnienia na zimno specjalnych stopów Mg, wykorzystywanych w chirurgii, ze szczególnym uwzględnieniem tendencji do pękania oraz

niezbędnych metodyk eksperymentalnych do wyznaczenia parametrów empirycznych modelu. Wynikiem praktycznym projektu będzie określenie warunków ciągnienia na zimno drutów o małych średnicach ze stopów Mg w oparciu o

optymalizacje parametrów ciągnienia za pomocą opracowanego wieloskalowego modelu.

W proponowanym modelu w skali makro będzie wykonaną symulacją procesów ciągnienia w oparciu o mechanikę ośrodków ciągłych z wykorzystaniem własnego oprogramowania Drawing2d. W oparciu o ten program określone zostaną pola naprężeń oraz prędkości płynięcia dla całego przekroju materiału odkształcanego w danym ciągu. Natomiast w skali mikro za pomocą zmodyfikowanej przez wnioskodawca metody elementów brzegowych (MEB) będzie rozpatrzone zadanie modelowania odkształcenia grupy ziaren z uwzględnieniem formy granic ziaren, wtrąceni, składu fazowego ziaren, odpowiadających rzeczywistej mikrostrukturze konkretnych stopów Mg. Do modelu w skali mikro będzie zaimplementowany model pękania, uwzględniający stan mikro- naprężeń i odkształceń w elementach mikrostruktury. Do wczytywania geometrii mikrostruktury będzie użyte oprogramowanie własne, które zostanie rozbudowane poprzez implementację do niego własnego programu generacji siatki MEB. Uwzględnione zostaną także warunki brzegowe dotyczące oddziaływania sąsiednich ziaren, oraz reologia stopów Mg. Proponowany wieloskalowy model będzie zrealizowany w postaci programu komputerowego, zawierającego narzędzia do optymalizacji i analizy inverse.

Niezbędne badania wytrzymałościowe i plastometryczne stopów Mg do uzyskania parametrów modelu będą wykonane za pomocą maszyn wytrzymałościowych ZWICK 250, przy wykorzystaniu metody inverse do obróbki wyników. Metoda inverse będzie użyta w oparciu o opracowany wieloskalowy model, rozszerzony w zakresie możliwości wieloskalowego modelowania testów wytrzymałościowych i plastometrycznych. Badania procesów pękania podczas ciągnienia i testów wytrzymałościowych będą połączone z analizą mikrostruktury, co umożliwi weryfikacje opracowanego modelu w skali mikro. W oparciu o symulacje komputerowe określone zostaną: optymalny plan gniotów i kątów ciągadeł, co pozwoli na uzyskanie odpowiednich odkształceń, własności materiału oraz jakości powierzchni wyrobów. W projekcie przewidziano doświadczalną weryfikację otrzymanych parametrów procesu ciągnienia przez wyprodukowanie i przetestowanie eksperymentalnej partii drutów ze stopów Mg.

Projekt wniesie wkład w rozwój badań naukowych w dziedzinie metod produkowania drutów ze stopów Mg o podwyższonej biozgodności w dwóch obszarach. W pierwszej kolejności stworzone zostanie narzędzie numeryczne, które umożliwi wieloskalowe modelowanie i optymalizacje procesu ciągnienia ze szczególnym uwzględnieniem tendencji do pękania. Drugim osiągnięciem projektu będzie analiza granicznej możliwości produkowania przy temperaturze pokojowej drutów o małych średnicach z wytypowanych stopów Mg o podwyższonej biozgodności oraz baza danych współczynników modelu, uzyskanych w oparciu o badania eksperymentalne stopów Mg.

Major Completed Projects:

- Numeryczne modelowanie zjawiska segregacji i pękania wlewka w końcowym etapie ciągłego odlewania stali (A.Milenin, T.Rec)

Projekt podejmuje złożoną tematykę analizy procesu ciądnienia stopów magnezu o podwyższonej biozgodności (np. AZ31, AZ91, MgCa). Takie stopy są wykorzystywane w biomedycynie ze względu na wysoki poziom kompatybilności z środowiskiem organizmu człowieka. Jednym z ich zastosowań może być produkowanie materiałów na resorbowalne nici chirurgiczne do scalania tkanki miękkiej (resorbowalne stosuje się obecnie z polimerów). Wymaga to produkowania drutów o średnicach 0,1 mm i mniejszych. W dostępnej literaturze, dotyczącej przeróbki plastycznej stopów Mg stwierdzono, że ciągnienie tych stopów na zimno jest praktycznie niemożliwe ze względu na małą plastyczność i kruchość materiału. W pracach, poświęconych ciągnieniu stopów trudno odkształcalnych, pokazano, że ciągnienie na ciepło pozwala zwiększyć wydłużenie i zmniejszyć siłę ciągnienia. Z drugiej strony, podgrzewanie wsadu ze stopu Mg powoduje intensywne utlenienie powierzchni, a metal w trakcie przemieszczania się do kotliny odkształcenia traci temperaturę. W celu rozwiązania tego problemu w Uniwersytecie w Hanowerze została zaproponowana technologia ciągnienia rur do implantów, według której metal jest podgrzewany w procesie ciągnienia przez podgrzewane ciągadło. Problemy realizacji tej technologii dla drutów o średnicy 0,1 mm są istotnie związane z zależnością wszystkich parametrów procesu (w szczególności temperatury) od prędkości ciągnienia.

Końcowy cel projektu, jakim jest odtworzenie rzeczywistego zachowania stopów Mg o podwyższonej biozgodności podczas ciągnienia w podgrzewanym ciągadlie i weryfikacja eksperymentalna, zostanie osiągnięty przez połączone symulacje numeryczne i fizyczne.

Jako że stopy magnezu cechuje wzrost plastyczności w temperaturze powyżej 220 0C, to istotą projektu jest opracowanie technologii w której wszystkie ciągi (oprócz ostatnich) realizowane są na gorąco z wykorzystaniem podgrzewanego narzędzia, natomiast w ostatnich ciągach realizowane jest ciągnienie drutów na zimno w celu uzyskania odpowiednich własności mechanicznych. Podstawowym krokiem do osiągnięcia celu projektu będzie stworzenie modelu numerycznego procesów ciągnienia drutów na gorąco i na zimno z uwzględnieniem podgrzewania narzędzia i nagrzewania metalu w stożku zgniatającym ciągadła. Proponowany model będzie oparty o metodę elementów skończonych i zrealizowany w postaci programu komputerowego, zawierającego narzędzie do optymalizacji. Niezbędne badania plastometryczne stopów magnezu w warunkach, odpowiadających rozpatrywanemu procesowi ciągnienia (temperatura, prędkość oraz stopień odkształcenia) będą wykonane za pomocą symulatora GLEEBLE 3800.

W oparciu o symulacje komputerowe określone zostaną optymalne wartości temperatury narzędzia, prędkości ciągnienia, plan gniotów, kształt ciągadła oraz stopień odkształcenia na zimno i na gorąco, co powinno pozwolić na uzyskanie odpowiednich własności materiału (wytrzymałości na rozciąganie, plastyczności) oraz dobrej jakości powierzchni drutów.

W projekcie przewidywano także doświadczalną weryfikację otrzymanych parametrów procesu ciągnienia przez wyprodukowanie i przetestowanie eksperymentalnej partii drutów ze stopów Mg oraz wyznaczenie warunków tarcia dla różnych stosowanych smarów i stopów za pomocą analizy odwrotnej.

Projekt wniesie wkład w rozwój badań naukowych w dzedzinie metod produkowania drutów ze stopów Mg o podwyższonej biozgodności w dwóch obszarach. W pierwszej kolejności stworzone zostanie narzędzie numeryczne, które umożliwi modelowanie i optymalizacje procesu ciągnienia drutów ze szczególnym uwzględnieniem procesów cieplnych i mechanicznych w podgrzewanym ciągadlie i metalie. Drugim bardzo istotnym osiągnięciem projektu będzie podjęta analiza granicznej możliwości produkowania drutów o malych srednicach przez ciągnienie w podgrzewanym ciągadlie wytypowanych stopów Mg o podwyższonej biozgodności.

- Experimental measurement of flow stress data for four different brass alloys (A.Milenin, M.Packo, T.Rec, M.Kopernik, P.Kustra)

The following brass alloys were investigated in this work: CW614N (57,5 Cu, 38,8 Zn), CW602N (61,3 Cu, 36,5 Zn), CW709R (66,1 Cu, 31,2 Zn), CW603N (60,8 Cu, 35,9 Zn) and CW617N (57–59 Cu, 1,6–2,5 Pb, Zn balance). The first step was dedicated to literature study to find data acceptable in verification process of experimental and numerical studies. The experimental part of work was twofold. The Zwick Z250 machine was used to get flow stress vs. strain data for five temperatures and three strain rates conditions. Relative errors were calculated for all tests performed in present work by using Zwick Z250 tester. It can be emphasized that Zwick Z250, as well as plastometric results are comparable with available literature results. The mentioned machine has some limits due to high strain rates and therefore, these technical conditions introduced the biggest errors and have to be verified. It was the main reason of applying plastometer DIL 805 in this study. The results of verification showed the relatively small difference between data from Zwick Z250 and DIL 805 machines.

All these efforts are based on simple inverse method idea, which is using the optimization algorithm to find the minimum of goal function. The goal function is the value of error between measured and predicted value of model output, which is defined as force.

The next part of this work was implementation of rheological models of brass to Qform program and simulation of experimental tests by this program. The results of simulation (load prediction) showed good correlation with experimental data, which is used for inverse analysis. It is helpful to confirm, that the developed methodology is quite adequate.

- Malopolski stipendium

Internally Funded Research Projects

Current and Ongoing Projects:

D.Byrska

Major Completed Projects: