w niehomogenicznych kompozytach na-
tomiast p´kni´cia po prostu nie majà
warunków do powi´kszania si´. Kom-
pozyty mogà zmieniç powa˝nie swoje
w∏aÊciwoÊci, a mimo to nadal gwaranto-
waç bezpieczeƒstwo. Reifsnider pod-
kreÊla, ˝e nawet jeÊli ich sztywnoÊç

zmniejszy si´ o 40%, to i tak w przeci-
wieƒstwie do stopów aluminium i sta-
li zachowajà wytrzyma∏oÊç.”

W przemyÊle lotniczym in˝ynierowie

korzystajà z tych kompozytów, co do
których wytrzyma∏oÊci i trwa∏oÊci majà
pewnoÊç. „Stosujemy stosunkowo nie-
wiele rodzajów kompozytów – mówi
Alan G. Miller, g∏ówny in˝ynier struk-
tur noÊnych w Boeing Materials Tech-
nology. – Równie˝ liczba zwiàzków che-
micznych, które wykorzystujemy, jest
ograniczona. Wybieramy tylko te, o któ-
rych wiemy, ˝e ich w∏aÊciwoÊci sà nie-
zmienne w czasie – opieramy si´ wte-
dy na d∏ugoletnich doÊwiadczeniach
z innych dziedzin przemys∏u.” Miller
wyjaÊnia, ˝e dane uzyskiwane z takich
êróde∏ jak MRLife uzupe∏nia si´ wynika-

mi badaƒ wytrzyma∏oÊciowych w za-
ostrzonych warunkach eksploatacji (sko-
ki temperatury, bardzo du˝a wilgotnoÊç
i inne nara˝enia). Zapytany, czy mate-
ria∏y te majà jakieÊ „wrodzone” wady,
stanowczo zaprzecza.

Có˝ zatem by∏o powodem wspo-

mnianych katastrof? Ostateczne wyja-
Ênienie przyczyn wypadków Denvera
i Gleicka wymaga jeszcze kilku miesi´-
cy, jednak ze wst´pnych ustaleƒ wyni-
ka, ˝e nie mia∏y one zwiàzku z kompo-
zytami. (Przypuszcza si´, ˝e w samolot,
którym lecia∏ piosenkarz, uderzy∏ ptak
lub skoƒczy∏o si´ paliwo.) U. S. Air For-
ce twierdzà natomiast, ˝e znajà przy-
czyn´ wypadku swojego samolotu: me-
chanicy po zakoƒczeniu rutynowej
kontroli skrzyd∏a nie zakr´cili ponow-
nie czterech z pi´ciu wkr´tów mocujà-
cych. Okazuje si´ wi´c, ˝e nie ma zna-
czenia, jak mocne sà kompozyty – i tak
nie dadzà rady ludzkim b∏´dom.

Phil Scott

22 Â

WIAT

N

AUKI

Maj 1998

P¢KNI¢CIA w laminacie kompozytowym

(cienkie linie) w odró˝nieniu od p´kni´ç

w metalu nie „rosnà”. Ciemne obszary

w pobli˝u otworu to rozwarstwienia.

SHEILA L. COLLINS

Virginia Polytechnic Institute and State University

Trzy razy przymierz,

zanim utniesz

Wirtualne obrabiarki mogà

ca∏kowicie przeobraziç

procesy produkcyjne

W

ytwórcy obrabiarek produ-
kujàcych cz´Êci do Forda
Explorera czy te˝ do Hondy

Accord nadal stosujà metod´ prób i b∏´-
dów w korekcji pozycji tarcz Êciernych
lub no˝y skrawajàcych. „Zazwyczaj wy-
próbowuje si´ po prostu jedno ustawie-
nie, a gdy nie przynosi ono zamierzo-
nego efektu, sprawdza nast´pne” –
mówi William W. Pflager, kierownik
dzia∏u badaƒ i rozwoju w Landis Gard-
ner, firmie produkujàcej obrabiarki dla
przemys∏u samochodowego. W przy-
padku korekty ustawienia tarczy, któ-
ra obrabia cylindryczny kszta∏t panew-
ki samochodowego wa∏u korbowego,
mo˝e to wystarczyç. Gdy jednak w gr´
wchodzi maszynowa obróbka cz´Êci
o bardziej z∏o˝onej geometrii, niedok∏ad-
noÊç tej metody cz´sto prowadzi do
kosztownych opóênieƒ.

W wyniku wspó∏pracy uczelni, prze-

mys∏u i rzàdu powsta∏ symulacyjny pro-
gram komputerowy, dzi´ki któremu
mo˝na przewidzieç - jeszcze przed zbu-
dowaniem obrabiarki – jak dok∏adnie
b´dzie ona kszta∏towaç dany przedmiot.
Program nazwany MVA (machining va-
riation analysis – analiza zmiennoÊci

procesu obróbki maszynowej) umo˝li-
wia równie˝ diagnozowanie b∏´dów
maszyn ju˝ pracujàcych oraz symulo-
wanie dzia∏ania obrabiarek pi´cioosio-
wych (przemieszczanie si´ w trzech
wymiarach i obrót wokó∏ dwóch osi).
MVA tworzy model wirtualnej cz´Êci
z uwzgl´dnieniem takich procesów, jak
obróbka skrawaniem, szlifowanie, mon-
ta˝ i rozmieszczenie cz´Êci.

Stosowane wczeÊniej algorytmy sy-

mulacyjne umo˝liwia∏y okreÊlanie b∏´-
dów obrabiarek tylko w odniesieniu do
jednego punktu elementu, natomiast
MVA – do ca∏ej powierzchni. Program
symulacyjny – owoc wspó∏pracy na-
ukowców z MIT, National Institute of
Standards and Technology oraz Landis
Gardner – sk∏ada si´ z zestawu algoryt-
mów, które mogà modelowaç dowolnà
obrabiark´, poczàwszy od szlifierki za-
worów silnikowych, a skoƒczywszy na
maszynie fotolitograficznej do tworze-
nia sieci po∏àczeƒ w mikroskopijnych
obwodach scalonych.

MVA wykorzystuje dane odwzoro-

wujàce przestrzenny obraz zaprojekto-
wanej cz´Êci. Na ich podstawie program
precyzyjnie oblicza drog´ narz´dzia
podczas zdejmowania nadmiaru mate-
ria∏u z przedmiotu obrabianego. Inne
tego typu algorytmy okreÊlajà tylko
zgrubnie trajektori´ narz´dzia.

Nast´pnà innowacjà jest zastosowa-

nie symulacji do zobrazowania, jak kil-
kanaÊcie ró˝nych b∏´dów maszyny – na
przyk∏ad b∏àd prostopad∏oÊci maszyny
– mo˝e w rezultacie wp∏ynàç na osta-
teczny kszta∏t obrabianej cz´Êci. Daniel

D. Frey, zast´pca dyrektora programu
System Design and Management w MIT
i g∏ówny projektant MVA, mówi, ˝e ob-
raz usterek wirtualnej cz´Êci uda∏o mu
si´ uzyskaç dopiero wtedy, gdy zda∏ so-
bie spraw´ z mo˝liwoÊci oddzielnego
modelowania poszczególnych charak-
terystyk obrabiarki.

B∏´dy w ustawieniu maszyny, powo-

dujàce na przyk∏ad, ˝e nie uzyskuje si´
kszta∏tu ko∏a, mogà mieç êród∏o w nie-
po˝àdanych ruchach wrzeciona, na
którym jest zamocowana tarcza szlifier-
ska, lub w przesuni´ciach uchwytu
z obrabianym elementem pod wp∏y-
wem ciep∏a wydzielanego w czasie szli-
fowania. Obie przyczyny powstania
b∏´du ko∏owoÊci mo˝na scharaktery-
zowaç jako zmienne niezale˝ne i nie
martwiç si´, jakie jest ich wzajemne
oddzia∏ywanie.

Po zasymulowaniu poszczególnych

zmiennych nale˝y ich dzia∏anie po∏àczyç
w celu uzyskania gotowej wirtualnej
cz´Êci. B∏´dy niekoniecznie jednak po
prostu si´ sumujà, obliczenia wi´c nie
zawsze sà proste. Na przyk∏ad Êruba
mo˝e wykazywaç odchylenie od plano-
wanej Êrednicy o 1.9 µm z powodu
„bicia wrzeciona” i jednoczeÊnie 2 µm
na skutek odkszta∏cenia cieplnego. W
sumie jednak odchylenie wyniesie tylko
3.5 µm, a nie 3.9 µm.

W rezultacie naukowcy stosujà me-

tod´ statystycznà o nazwie Monte Carlo,
w której pobiera si´ próbki zmiennych
losowych reprezentujàcych przyczyn´
b∏´du. Te losowo wybrane liczby sà na-
st´pnie przetwarzane i sumowane, dzi´-

OBRABIARKI

Na miejscu zbrodni

Najnowsza technika u∏atwia

zbieranie dowodów

M

niej wi´cej 12 lat temu ekspert
sàdowy Garold L. Gresham
bada∏ przypadek zabójstwa

kobiety. Detektywi nie znaleêli ˝adnych
wyraênych wskazówek oprócz tej, ˝e
sposób dokonania morderstwa wska-
zywa∏ na m´˝czyzn´. Przeszukujàc miej-
sce zbrodni w celu identyfikacji w∏ó-
kien, odcisków palców i grup krwi,
Gresham spostrzeg∏ le˝àce obok cia∏a
cztery czerwone drobinki jakiegoÊ twar-
dego i b∏yszczàcego materia∏u. Oglàda-
ne pod mikroskopem przypomina∏y far-
b´. Gresham zauwa˝y∏ jednak na ich
powierzchni ledwie widoczne pod∏u˝-
ne prà˝ki, podobne do prà˝ków na pa-
znokciach. Mia∏ przed sobà odpryski la-
kieru do paznokci, który jednak nie
nale˝a∏ do ofiary. Powiadomi∏ policj´,
˝e podejrzewajàc o morderstwo m´˝-
czyzn´, mo˝e byç na fa∏szywym tropie.

Gdyby Gresham, obecnie konsultant

naukowy w Idaho National Engineering
and Enviromental Laboratory, dziÊ od-
wiedzi∏ to miejsce zbrodni, najprawdo-
podobniej w∏o˝y∏by cztery wspomniane
drobinki do spektrometru masowego jo-
nów wtórnych (secondary ion mass spec-
trometer – SIMS), nowego przyrzàdu,
który on i Gary S. Groenewold opraco-
wali we wspó∏pracy z University of Mon-
tana oraz National Institute of Justice.
W urzàdzeniu tym powierzchnia skraw-
ków zosta∏aby zbombardowana ci´˝ki-
mi jonami, które uderzajàc niczym po-
t´˝ne – w skali atomowej – m∏oty,
oderwa∏yby czàsteczki substancji, aby
umo˝liwiç ich analiz´. Gresham móg∏by
nie tylko stwierdziç, ˝e badanym mate-
ria∏em jest lakier do paznokci, ale praw-
dopodobnie potrafi∏by równie˝ zidenty-
fikowaç nielotne organiczne zwiàzki
chemiczne wchodzàce w sk∏ad myd∏a,

którym sprawczyni my∏a r´ce, a byç mo-
˝e i Êlady perfum, których u˝ywa∏a.

O precyzji spektrometru SIMS Groene-

wold mia∏ okazj´ przekonaç si´ w swo-
im w∏asnym laboratorium. „Ciàgle otrzy-
mywaliÊmy silny sygna∏ odpowiadajàcy
czàsteczkom o masie 100. Podejrzewali-
Êmy, ˝e mo˝e to byç amina o szeÊciu ato-
mach w´gla, ale nie mieliÊmy poj´cia, co
to w∏aÊciwie jest” – wspomina. Okaza∏o
si´, ˝e spektometr sygnalizowa∏ obec-
noÊç cykloheksyloaminy, u˝ywanej jako
Êrodek przeciwdzia∏ajàcy osadzaniu si´
kamienia w podgrzewaczach wody. „St´-
˝enie cykloheksyloaminy w powietrzu
wynosi∏o 200 czàsteczek na miliard, ale
nawet tak ma∏a ich liczba dawa∏a pik
w widmie” – dodaje.

SIMS jest jednym z kilku nowych na-

rz´dzi kryminalistyki, które byç mo˝e
ju˝ wkrótce ostatecznie wykluczà po-
pe∏nienie zbrodni doskona∏ej. Naukow-
cy z Oak Ridge National Laboratory pod

kierunkiem Michaela E. Sigmonda pra-
cujà nad udoskonaleniem wykrywania
pozosta∏oÊci materia∏ów wybuchowych.
Zespó∏ Sigmonda wraz z Bureau of Al-
cohol, Tobacco and Firearms (ATF) ju˝
wkrótce wypróbuje Êciereczk´ do po-
bierania próbek na sucho, która u∏atwi
ekspertom identyfikacj´ Êladów sub-
stancji wybuchowych na powierzch-
niach. Poniewa˝ Êciereczka jest wyko-
nana z materia∏u odpornego na wysokie
temperatury, próbk´ mo˝na umieÊciç
bezpoÊrednio w chromatografie gazo-
wym, ogrzaç, a nast´pnie przenieÊç ca-
∏à faz´ gazowà do kolumny w celu prze-
prowadzenia analizy. Tradycyjnie do
zmywania Êladów z powierzchni u˝y-
wa si´ rozpuszczalnika, co prowadzi do
utraty przynajmniej cz´Êci próbki.

Mary Lou Fultz, kierownik nale˝àce-

go do ATF Laboratorium Kryminali-
styki w Rockville (Maryland), z nie-
cierpliwoÊcià oczekuje chwili, kiedy

ki czemu otrzymuje si´ z∏o˝onà charak-
terystyk´ b∏´du, dajàcà bliskie przybli-
˝enie ostatecznego kszta∏tu obrabianej
cz´Êci. Proces ten jest powtarzany tysià-
ce razy. Ka˝da z wirtualnych cz´Êci po-
wsta∏ych podczas kolejnych iteracji jest
mierzona i w∏àczana do „kszta∏tu sta-
tystycznego”, na którego podstawie
otrzymuje si´ ca∏kowity obraz b∏´du,
powiedzmy, kwadratowoÊci czy ko-
∏owoÊci. „Taki model b∏´dów jest ni-
czym opis choroby – mówi Frey. – Baza
danych pozwala porównaç go z mode-

lami b∏´dów ju˝ znanych i postawiç
diagnoz´.”

Z dobrodziejstw MVA dopiero zaczy-

na si´ korzystaç. Firma Landis Gardner
z siedzibà w Waynesboro (Pensylwa-
nia) stosuje symulacj´ do obliczania cha-
rakterystyk b∏´dów maszyn szlifujàcych
panewki ∏o˝ysk w elementach ∏àczàcych
t∏oki silników samochodowych z wa∏a-
mi korbowymi. (W niedalekiej przysz∏o-
Êci wyrafinowane symulacje MVA ma-
jà byç przez firm´ stosowane rutynowo.)
Równie˝ Hughes Research Laboratories

eksperymentowa∏y z MVA; próbowa-
no oceniaç nieprawid∏owoÊci w u∏o˝e-
niu przewodów mocowanych do p∏y-
tek obwodów drukowanych. Frey
przewiduje, ˝e w ciàgu najbli˝szych lat
powstanà nowe zastosowania – od u˝y-
cia MVA w celu ograniczenia nak∏adów
na kontrol´ wyprodukowanych cz´Êci
po znajdowanie optymalnego u∏o˝enia
detalu w czasie obróbki. W ten sposób
wirtualna maszyna przyniesie ca∏kiem
realne korzyÊci.

Gary Stix

Â

WIAT

N

AUKI

Maj 1998 23

KRYMINALISTYKA

ZBIERANIE DOWODÓW – na zdj´ciu po zamordowaniu projektanta mody Gianniego

Versace – mo˝e staç si´ ∏atwiejsze dzi´ki zastosowaniu nowych technik.

GREENWOOD

Liaison International