Plasten som gjør biler bedre
Forsterket termoplast er et lett, sterkt og anvendelig materiale. Komponenter i fiberforsterket plast kan typisk sitte i støtfangeren på en bil, i vindmølleblader eller sportsutstyr.
Plastmaterialet kan bli sterkere ved å tilsette glassfiber. For å beregne hva det tåler av strekk, trykk, støt og krasj må vi vite hvordan materialene ser ut på innsiden. Nå vet vi mer.
Petter Holmstrøm er stipendiat ved Institutt for konstruksjonsteknikk ved NTNU. Hans ferske doktorgradsarbeid gir ny kunnskap til bilindustrien og alle andre som støper fiber-armert plast som skal tåle store påkjenninger.
De korte glassfibrene som brukes i forsterket termoplast er som ørsmå pinner. De er 0,1 til 1 mm lange og 15 milliondels meter tykke. Jo bedre kontroll du har på dem når du støper plasten, desto sterkere komponenter kan du lage.
Mye av Holmstrøms arbeid handler om å øke forståelsen av den mekaniske oppførselen til materialet, altså evnen det har til å tåle belastning.
– Dette må vi ha kontroll på når materialet brukes i lastbærende komponenter, understreker han.
I tillegg handler avhandlingen om hvordan vi kan representere materialet i numeriske simuleringer.
For bilindustrien er det også viktig å utnytte at fiberarmerte polymerer er mindre stive og har lavere styrke enn for eksempel stål.
Nyere biler er designet slik at energien i en påkjørsel skal tas opp av støtfangeren i stedet for kroppen til fotgjengeren. Jo mer kreftene kan spres, dess mindre skade på den som utsettes for ulykken. Dette taler til fordel for plastmaterialer.
Alt dette kan simuleres med dataprogrammer, så lenge vi har gode modeller for hvordan vi kan representere det fiberarmerte materialet.
Holmstrøm er den første, og så langt den eneste stipendiaten, ved NTNU SIMLab (Structural Impact Laboratory) som har gitt seg i kast med å evaluere materialmodeller for fiber-forsterket termoplast. Avhandlingen hans er på nærmere 400 sider.
Bruken av termoplast forsterket med korte fibre i lastbærende komponenter er forholdsvis ny. Det brukes til å erstatte metaller, for å gjøre biler eller andre konstruksjoner lettere, samtidig som styrken er ivaretatt.
Når fibre støpes inn i plasten, blir den stivere, sterkere og sprøere. Den injiseres som en oppvarmet væske, og kan fylles i enhver tenkelig form.
Dermed er polymerer egnet til forming av geometrisk kompliserte deler. Støpte polymerer har også fordelen at én komponent kan erstatte noe som tidligere bestod av fem-seks deler. For industrien, ikke minst bilindustrien, gjelder det å krympe vekt, tidsbruk og pris i tillegg til å øke fleksibiliteten når de designer.
Så langt har ikke industrien vært særlig opptatt av anisotropi i plasten, som betyr at materialet har ulike egenskaper i ulike retninger. Men Holmstrøm har gjort strekktester som viser at plasten kan være dobbelt så stiv og dobbelt så sterk i lengderetningen, som når den strekkes i bredden.
– Dette bør industrien ta med i betraktning, mener stipendiaten.
– Når en plastdel er designet for å ta last i samspill med andre deler, må du kunne simulere oppførselen under belastning, forklarer han. Materialets oppførsel må beskrives matematisk i en materialmodell. Denne kunnskapen er det bilindustrien vil ha, og som resten av industrien også trenger.
– Kan du ikke simulere, kan du ikke bruke materialet – med mindre vi snakker om et kjøkkenredskap, slår Holmstrøm fast.
Når flytende plast injiseres og strømmer gjennom støpeformen, bestemmes orienteringen til hver enkelt fiber av strømningsbetingelsene, eller retningene på den flytende plastmassen.
STØPT: Petter Holmstrøms prøvestykker er støpt i fiberarmert polypropylen og polyamid. FOTO: SØLVI W. NORMANNSEN, NTNU
Se for deg tømmerstokker som flyter ned en strømmende elv. Hastigheten, styrken i strømmen og retningen til vannet avgjøres av dybde, steiner eller andre hindringer. Der hindringene ligger tett og blir for store, kan stokkene vase seg sammen.
I en enkel 3 millimeter tykk og flat plate, er det lite hindringer og fibrene vil fordele seg noenlunde jevnt. Til tross for den enkle geometrien får materialet en tydelig lagdeling, noe som også forklarer den anisotropiske oppførselen.
I en mer sammensatt komponent, som for eksempel en del til en støtfanger, er det annerledes. Her er det krinkler og kroker som hindrer støpe-strømmen. Det kaotiske strømningsmønsteret gjør at fibrene, akkurat som tømmerstokkene, klumpe seg sammen i en ball eller konsentrere seg i ett område.
Prøvestykkene Petter Holmstrøm har brukt er i fiberarmert polypropylen og polyamid.
De korte glassfibrene er 15-20 ganger stivere enn polymeren de støpes inn i. Holmstrøm har gjort brukt røntgen-mikroskopi for å se innsiden av materialet.
Røntgenbildene viser myriader av ørsmå, tynne pinner fordelt i tilsynelatende fullt kaos på langs, kryss og tvers. I dette kaoset har han laget statistikk på hvordan fibrene fordeler seg, retningen de ligger i og vinklene de ligger i forhold til hverandre.
Dette er viktig kunnskap, fordi materialets evne til å tåle påkjenninger avgjøres av hvordan fibrene ligger i den støpte komponenten.
Holmstrøm har fulgt den sedvanlige SIMLab-oppskriften. Den går, enkelt sagt, ut på å ødelegge for å beskytte. Forskjellige typer prøvestykker er strukket i ulike retninger og resultatene er grundig dokumentert.
– Lasten er påført kvasi-statisk og monotonisk. Det vil si at vi drar sakte én vei til prøvestykket ryker. Rask belastning gir ofte en høyere motstand i materialet.
Resultatene fra eksperimentene brukes som utgangspunkt for å lage en materialmodell som beskriver oppførselen. Deretter brukes modellen i simuleringer for å se om det er samsvar med fysiske forsøk.
For industrien er det en kjempeutfordring at samtidig som fibrenes orientering avhenger av støpeprosessen, avhenger de mekaniske egenskapene av fibrenes orientering. For å få en effektiv designprosess burde de først simulere støpeprosessen, for så å overføre informasjon om fibrenes orientering til styrkesimuleringer.
– Dette er fullt mulig å gjøre i dag, men slike metoder er foreløpig ikke i særlig grad tatt i bruk av industrien, ifølge stipendiaten.
Dermed blir det vanskelig å vite i forkant hvor vi får en ugunstig fordeling av fibrene i et produkt.
– Helheten er det som betyr noe. Den svakeste sonen gir etter. Når du designer noe handler det om ikke å ha svake soner, gitt belastningen materialet blir utsatt for, sier Holmstrøm.
Gode modeller kan spare industrien for både tid og store penger.
Kilde: An experimental and numerical study of the mechanical behaviour of short glass-fibre reinforced thermoplastics.
Kilde: Gemini.no/NTNU