1 Prof. dr hab. inż. Józef Gawlik Politechnika Krakowska, Wydział

Prof. dr hab. inż. Józef Gawlik
Politechnika Krakowska, Wydział Mechaniczny
Katedra Inżynierii Procesów Produkcyjnych
RECENZJA
Rozprawy doktorskiej mgra inż. Marcina Madeji nt.: „Wytwarzanie funkcjonalnych części
maszyn za pomocą technologii generatywnych z uwzględnieniem obróbki
powierzchniowej”
Promotor: prof. dr hab. inż. Edward Chlebus
Podstawa opracowania: pismo W10/41d/2016, z dnia 30 listopada 2016 r. Dziekana Wydziału
Mechanicznego Politechniki Wrocławskiej.
1. Zakres i charakterystyka rozprawy
Przedstawiona do recenzji rozprawa obejmuje 170 stron, a w tym: 2 strony spisu treści
2 strony wykazu akronimów, 14 stron spisu literatury (153 pozycje, z wyszczególnieniem także
wykazu norm i stron internetowych). Rozprawa składa się ze wstępu i 8 rozdziałów.
Praca zawiera obszerny, udokumentowany materiał badawczy. Niestety nie została
poddana starannej korekcie edytorskiej i dlatego zawiera szereg nieścisłości, czy wręcz
błędnych pod względem stylistycznym zdań oraz błędów literowych i interpunkcyjnych. Te
niedociągnięcia zaznaczyłem w tekście i przekażę je Autorowi, gdyż ich wykaz zająłby kilka
stron.
Przykłady:
 s.5 – Zróżnicowana gama wytwarzanego asortymentu, odpowiadająca potrzebom klientów, wymaga
wytwarzania szeregu dodatkowego oprzyrządowania w postaci form…

s.7 – Uzyskiwana jakość powierzchni w dużej mierze uzależniona jest od stosowanych parametrów
procesu wytwórczego oraz zastosowanych materiału.

s.7 – Obróbka ta umożliwia uzyskanie chropowatość powierzchni, w zależności od wymagań
stawianych danej części.

s.9 – Wiele lat badania nad technologiami warstwowymi doprowadziły do opracowanie różnych
wariantów procesów … (itd. – nie przytaczam już więcej takich przykładów).
We wprowadzeniu Autor przedstawia genezę pracy, słusznie podkreślając, że
technologie generatywne są „rozwiązaniem pośrednim pomiędzy procesami odlewniczymi,
a procesami wykorzystującymi standardowe półfabrykaty hutnicze”.
Uwaga: Doktorant stwierdza, że: „oczekuje się, aby produkty były jak najwyższej jakości, dostosowane do
indywidualnych potrzeb i preferencji konsumentów”. Sformułowanie „jak najwyższej jakości” jest
określeniem potocznym, nieuzasadnionym, bo jakie kryterium spełnia warunek „najwyższej
jakości”?
Już we wstępie Autor rozprawy wskazuje na zalety oraz ograniczenia technologii
generatywnych, co potwierdza, że zakres pracy ma dobrze przemyślany, bowiem poszerzenie
badań o metody obróbki wykończeniowej jest w pełni uzasadnione.
Biorąc pod uwagę znaczenie i potencjalny zakres zastosowania technologii
przyrostowych w różnych obszarach (inżynieria medyczna, produkcja przemysłowa, itd.),
wybór tematu pracy doktorskiej uznaję za trafny i uzasadniony do podjęcia.
1
W rozdziale 1 (s.9 – s.13) Doktorant omówił główne aspekty rozwoju technologii
generatywnych (tab.1.1.)
Scharakteryzował
stosowane metody ze szczególnym
uwzględnieniem selektywnej mikrometaurgii proszków metali z zastosowaniem techniki
laserowej (SLM, LENS, EBM, DMLS).
Uwaga: Doktorant odnosząc się do pojęcia „jakość powierzchni”, na ogół wymienia parametry
chropowatości powierzchni (głównie Ra), co jest jednak znacznym zawężeniem.
W rozdziale 2 Doktorant scharakteryzował możliwości, ograniczenia i zastosowania
technologii generatywnych. Poglądowo bardzo klarownie ograniczenia zostały przedstawione
na rys.2 – rys.2.7. Przykłady skutków - błędów ich niewłaściwego uwzględnienia przedstawił na
rys.2.9 – rys.2.10.
Uwaga: komentując „jakość uzyskiwanej powierzchni” Autor ponownie odnosi ją tylko do parametru Ra,
a z opisu (s.18 – s.19) również wynika, że w szerszym ujęciu o jakości technologicznej
powierzchni wyrobu decyduje więcej parametrów procesu wpływających na topografie
powierzchni.
W przedstawionych przykładach (rys.2.12 – rys.2.17) Doktorant wykazał ich zalety
i przewagę w porównaniu do możliwości kształtowania wyrobów o złożonej konfiguracji
przestrzennej. Za interesujące i ważne dla określenia racjonalnych obszarów zastosowań
technologii generatywnych uznaję porównawcze zestawienie przedstawione w tabeli 2.1 (s.23).
Z tej analizy wynika też celowość zastosowania w wielu przypadkach obróbki
wykończeniowej wyrobów wykonanych w technologii AM w celu uzyskania wymaganej jakości
wyrobu końcowego.
Rozdział 3 jest poświęcony metodom obróbki wykończeniowej części maszyn
wykonanych w technologii przyrostowej.
Uwaga: w samym tytule tego rozdziału Doktorant rozróżnia „obróbką wykończeniową” i „powierzchniową”
Pytanie: czy obróbki powierzchniowej nie można zaliczyć do obróbki wykończeniowej? - tym
bardziej, że na rys.3.1 (s.27) obróbka powierzchniowa została właśnie tak ujęta.
Autor rozprawy dość szczegółowo opisał zastosowania różnych metod i sposobów
obróbki z podaniem możliwych do uzyskania dokładności wymiarowych i parametrów
chropowatości (głównie Ra).
Uwaga: na s.29 znalazło się sformułowanie „szlifowanie ściernicami o ścierniwie związanym”
Pytanie: czy są ściernice o spoiwie niezwiązanym?
Oceniając tę część rozprawy doktorskiej stwierdzam, że analiza literatury została
przeprowadzona na poziomie potwierdzającym przygotowanie mgr. inż. M. Madei do podjęcia
zaproponowanego tematu pracy. Odnosząc się jednak do zakresu podjętych, badań warto by
sięgnąć także do b publikacji G Budzika z Politechniki Rzeszowskiej, który również prowadził
szereg badań z tego zakresu.
Rozdział 4 zawiera sformułowany cel i zakres pracy. We wprowadzeniu do tego rozdziału
Autor przedstawia krótką syntezę charakterystyki obiektów wykonywanych w technologii AM.
Bardzo dobrym podsumowaniem jest opracowany przez Doktoranta wykres Ishikawy (rys.4.1).
Sformułowany cel pracy obejmuje: „opracowanie zasad projektowania, wytwarzania
oraz powierzchniowej obróbki wykończeniowej elementów metalicznych wykonywanych
za pomocą technologii generatywnych, umożliwiających uzyskanie założonej jakości
powierzchni oraz cech geometrycznych.
2
Materiałem zastosowanym do badań był stop tytanu Ti6AL7Nb przewidziany m. in. do
zastosowań medycznych. Doktorant sformułował 9 zadań badawczych, a syntetycznie
przedstawił je na rys.4.2.
Uwaga: w zadaniu nr 5 (s.36) Autor rozprawy podaje, że … „sprawdzone zostaną rożne metody
wyznaczania punktów odniesienia dla programu sterującego…”
Pytanie: czy rzeczywiście będą to różne metody, czy tylko różne rozmieszczenie punktów odniesienia?
Zaproponowaną koncepcję badań oceniam pozytywnie. Doktorant wykazał się
znajomością zasad planowania i organizacji eksperymentu włącznie do weryfikacji uzyskanych
efektów. Analizie zostały poddane: skład chemiczny, mikrostruktura, porowatość mikrotwardość
materiału, parametry geometryczne powierzchni (uważam, że zbędny jest szczegółowy opis
wyznaczania parametrów Ra i Rz , s.46 –s.47.) Próbki do badań zostały wykonane z materiału
handlowego o składzie podanym w tab.5.1. i właściwościach wytrzymałościowych zestawionych
w tab.5.3. Parametry technologiczne wykonywanych próbek zostały ujęte w tab.5.4,
a zawartości pierwiastków w stopie Ti6AL7Nb w tab.5.5.
Ważne są wyniki właściwości wytrzymałościowych próbek (tab.5.6), które potwierdzają, że
właściwości te silnie zależą od usytuowania próbek w trakcie procesu AM.
Rozdział 5 dotyczy badań próbek wykonanych w technologii AM. Próbki
prostopadłościenne zostały wykonane przy różnej ich orientacji przestrzennej w trakcie procesu
wytwarzania (rys.5.2.) Do określenia wartości naddatków na obróbkę wykończeniową zostały
wybrane powierzchnie walcowe oraz płaskie (rys.5.3. i rys.5.4.) Ważnym wnioskiem z badań są
stwierdzenia, iż
 … „uzyskany z wykorzystaniem technologii SLM materiał różni się od dostępnego
handlowo
pod
względem
mikrotwardości,
porowatości
oraz
właściwości
wytrzymałościowych;
 „orientacja próbki podczas wytwarzania częściowo determinuje uzyskiwaną
mikrostrukturę;
 właściwości wytrzymałościowe różnią się w zależności od orientacji próbki względem
platformy modelowej oraz kierunku przyłożenia siły oddziaływującej na nią;
 mikrotwardość wytworzonego materiału była wyższa od materiału handlowego… ok.
45%”.
Rozdział 6 jest głównym wkładem Autora rozprawy w opracowanie i racjonalny dobór
warunków obróbki wykończeniowej elementów wytworzonych z zastosowaniem technologii
generatywnej. Doktorant przeprowadził próby frezowania współbieżnego (podrozdział 6.1)
frezem jednoostrzowym (rys.6.2) z zastosowaniem parametrów skrawania zestawionych
w tab.6.1.
Uwagi: analizując zużycie ostrza Doktorant używa szeregu określeń nieprecyzyjnych, wręcz potocznych.
Przykłady (s.61:

kryterium zużycia narzędzia - raczej powinno być: kryterium stępienia ostrza, a w tym przypadku

parametry (wskaźniki) zużycia ostrza;
często w tekście pracy jest stosowane pojęcie „dynamika zużycia ostrza” – w tym przypadku
powinno być „kinetyka zużycia” lub „intensywność zużycia”, bowiem Autor nie analizuje

dynamicznych charakterystyk procesu zużycia ostrza (por. także rys.6.8 – rys.6.10);
rys.6.3 ma podpis „schemat metody pomiaru zużycia narzędzia”; pytanie: o jakiej metodzie tu

mowa?
Doktorant stwierdza (s.66), że: „wzrastająca ilość narostu na krawędzi skrawającej powodowała
zwiększenie oporów skrawania aż do momentu przekroczenia granicy wytrzymałości płytki
3
i wystąpienia lokalnego jej wyłamania/wykruszenia. Pytania: czy to oznacza, że narost nie spływał
wraz wiórem, tylko tak silnie przywierał adhezyjnie do powierzchni natarcia płytki?; czy wobec tego
geometria ostrza i warunki skrawania były dobrane właściwie w odniesieniu do właściwości
obrabianego materiału?
Stosując analizę wariancji ANOVA Doktorant określił istotność wpływu poszczególnych
parametrów obróbki na wartość wskaźnika zużycia VBmax i wyznaczył równanie ujmujące tę
zależność (wzór 8), a wybrane przykłady zilustrował na wykresach (rys.6.12 – rys.6.13).
Podsumowaniem tego zakresu badań jest stwierdzenie (s.70), … „iż głównym czynnikiem
wpływającym na zużycie narzędzia, poza parametrami skrawania, (co jest oczywiste, że
parametry skrawania mają wpływ na intensywność zużycia!!), była orientacja, w jakiej
wytwarzana została próbka”.
W podpunkcie 6.1.1 Autor rozprawy przedstawia wyniki badań wpływu procesu
frezowania na zmiany miktrotwardości warstwy wierzchniej (rys.6.14 – rys.6.16.) Doktorant
wykazał, że proces frezowania nieznacznie wpływa na zmiany mikrotwardości, ale również
orientacja próbek w procesie wytwarzania z zastosowaniem AM ma pewien wpływ na wzrost
mikrotwardości z uwagi na powstawanie struktury martenzytycznej.
Obszerne i ważne z uwagi na jakość technologiczną wyrobu, są wyniki badań
zamieszczone w podrozdziale 6.1.2 – wyznaczenie wartości naddatków na obróbkę (s.74 s.99). Doktorant wykonał badania na wykonanych, prostych modelach (rys.6.23) oraz modelu
złożonym geometrycznie (rys.6.24.)
Uwaga: w tekście Doktorant konsekwentnie używa pojęcia „wielkość naddatku”, zamiast prawidłowego
sformułowania „wartość naddatku” (jak zresztą jest w tytule podrozdziału).
Stwierdzam, że ta część rozprawy doktorskiej została opracowana na dobrym poziomie
merytorycznym (poza nielicznymi potknięciami językowymi). Zawiera ona ważne informacje
poznawcze oraz wskazania aplikacyjne. Sądzę, że w dalszych pracach badawczych, które
ewentualnie będzie podejmował Doktorant, warto byłoby zająć się problemem doprecyzowania
sposobu wyznaczania „środka modelu”, szczególnie w przypadku elementów
o złożonej konfiguracji przestrzennej.
Możliwość zastosowania innych – niż obróbka wiórowa, metod obróbki wykończeniowej
została przedstawiona w podrozdziale 6.2 (s.99 – s. Doktorant podjął badania nad
zastosowaniem obróbki strumieniowo-ściernej, chemicznej, laserowej oraz hybrydowej.
Uwaga: Przedstawiając schemat postępowania przy ocenie wyników tych badań (rys.6.49) Doktorant
używa określenia … „różnych rodzajów obróbek”, a powinno być, wg mnie, „różnych metod
obróbki”. Dla uporządkowania tych pojęć należałoby w przyszłości przyjąć regułę, np: metoda
(kryterium: podstawy fizyczne procesu, np. rodzaj dostarczonej energii do zaistnienia procesu
dekohezji; energia mechaniczna, energia fotonów, itd.) – sposób (kryterium: zjawiska fizyczne
prowadzące do zburzenia spójności materiału, np.: przekroczenie granicznych naprężeń
rozciągających, ścinających, itd., topienie materiału, itp.) – rodzaj (kryterium - np.: ostrza
o zdefiniowanej lub niezdefiniowanej stereometrii) – odmiana (kryterium – np.: kinematyka
obróbki, osiągana dokładność, itp.)
Materiał badawczy oraz przedstawione wyniki w tej części pracy zostały udokumentowane
poprawnie i stanowią one istotny wkład Doktoranta do poszerzenia wiedzy z zakresu technologii
obróbki wykończeniowej wyrobów wykonywanej metodą przyrostową.
Syntezą i bardzo dobrym przykładem zastosowania technologii przyrostowych oraz
obróbki wykończeniowej jest wytwarzanie implantu stawu kolanowego – rozdział 7 (s.126 –
4
s.147.) Doktorant wykazał, iż projektując proces technologiczny dla części wytwarzanej
z zastosowaniem technologii generatywnych należy wziąć pod uwagę szereg ważnych
czynników, takich jak: orientację wytwarzanego elementu w trakcie procesu, wartość naddatków
na poszczególnych powierzchniach wyrobu, odpowiednie rozmieszczenie struktur
wspierających wytwarzany element. W całości przedstawił to na rys.7.3. Uzyskane wyniki
badań, liczne i bardzo dobrze wykonane rysunki (rys.7.4 – rys.7.27 oraz tab.7.1 – tab.7.8
jednoznacznie potwierdzają, że założony cel badań został osiągnięty.
Zasadniczą część rozprawy kończą podsumowanie i wnioski końcowe - rozdział 8 (s.148
– s.156.) W podsumowaniu Doktorant komentuje zawartość poszczególnych rozdziałów
rozprawy doktorskiej oraz metodykę badań, w której zostały wydzielone 4 etapy ( rys.8.1.)
Możliwości technologiczne zastosowania określonej metody obróbki wykończeniowej zostały
zbiorczo ujęte w tab.8.1 – tab.8.3.





Do istotnych wniosków poznawczych zaliczam stwierdzenie, że
próbki z materiału Ti6Al7Nb wytworzone w technologii AM posiadają ok. 45% wyższą
mikrotwardość w porównaniu do próbek wytworzonych metodami hutniczymi oraz
zmienioną mikrostrukturę materiału (występuje struktura martenzytyczna);
intensywność zużycia ostrzy frezu jest większa przy obróbce wykończeniowej
elementów wytworzonych w technologii AM;
elementy wytworzone technologią SLM posiadają większe odchyłki wymiarowe
w odniesieniu do modelu cyfrowego tego elementu;
jakość powierzchni wytwarzanych technologią AM jest silnie zależna od usytuowania
próbki w stosunku do kierunku nakładania kolejnych warstw wyrobu;
chropowatość powierzchni jest zależna od zastosowanej metody obróbki
wykończeniowej.
Doktorant sformułował również szereg wniosków utylitarnych, będących wynikiem
wykonanych badań (s.155) oraz propozycje dalszych prac badawczych (s.156.) Dowodzi to, iż
dostrzega, że zrealizowanie pewnej części badań na ogół otwiera nowe problemy badawcze.
To syntetyczne, skrótowe przedstawienie zakresu wykonanych badań przez mgr.
inż. Marcina Madeji upoważnia do wyrażenia opinii, że nabył On umiejętności
prowadzenia badań i rozwiązywania złożonych problemów naukowych oraz
inżynierskich, nakierowanych na przemysłowe zastosowania.
2. Ocena metodologicznej i metodycznej koncepcji rozprawy doktorskiej
Na podstawie przedstawionej analizy rozprawy doktorskiej i procedury rozwiązywania
postawionych zadań badawczych, metodologiczną i metodyczną koncepcję rozprawy
doktorskiej oceniam pozytywnie, albowiem zawiera ona merytoryczną analizę technologii
przyrostowych oraz opracowanie własnej koncepcji rozwiązania postawionego problemu
badawczego, opracowanie szczegółowych zaleceń technologicznych i ich weryfikację na
przykładzie złożonego wyrobu, którym jest endoproteza stawu kolanowego.
O odpowiednim przygotowaniu Autora rozprawy do prowadzenia prac
badawczych świadczą: rzeczowa, merytoryczna analiza i synteza literatury, poprawne
wykorzystanie wiedzy z zakresu planowania i organizacji badań, weryfikacja założeń
teoretycznych, umiejętne i na wymaganym poziomie opracowanie wyników badań.
Rozprawę doktorską mgra inż. Marcina Madeji oceniam pozytywnie.
mankamentem jest brak starannej korekty edytorskiej rozprawy doktorskiej.
Natomiast
5
3. Ocena końcowa rozprawy doktorskiej
Przedstawiona rozprawa doktorska należy do aktualnego obszaru badawczego,
związanego z wdrażaniem nowych, innowacyjnych metod wytwarzania wyrobów za pomocą
technik i technologii przyrostowych. Mgr inż. Marcin Madeja opanował na wymaganym poziomie
współczesne metody organizacji badań i właściwe dla nich narzędzia, służące do
rozwiązywania złożonych, wielowariantowych problemów badawczych.
Opiniowana rozprawa doktorska, mieszcząca się w dyscyplinie „budowa
i eksploatacja maszyn” posiada oryginalne cechy nowości i znaczące walory utylitarne.
Na podstawie przedstawionej analizy stwierdzam, że rozprawa doktorska mgra inż.
Marcina Madeji nt.: „Wytwarzanie funkcjonalnych części maszyn za pomocą technologii
generatywnych z uwzględnieniem obróbki powierzchniowej” spełnia wymagania ustawy
o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki
(ustawa z dnia 14 marca 2003 r., tekst ujednolicony z dnia 29 września 2014 r. wraz
z późniejszymi rozporządzeniami) i wnoszę o dopuszczenie jej Autora do publicznej
obrony.
Kraków, dnia 21 stycznia 2017 r.
6