-Jeg er helt sikker på at det eksperimentelle arbeidet står på egne ben og vil være verdifullt for andre. Og begge materialmodellene jeg har jobbet med har et stort potensial for bruk i industrien. Her er Holmstrøm under innspurten med veileder professor Arild Holm Clausen. (Foto: Sølvi Waterloo Normannsen)
Petter Holmstrøms ferske doktorgradsarbeid bringer ny kunnskap til bilindustrien og alle andre som støper fiberarmert plast utsatt for 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 stipendiaten.
I tillegg handler avhandlingen om hvordan man kan representere materialet i numeriske simuleringer.
Først ute på fiber-forsterket plast
Komponenter i fiberforsterket plast kan typisk sitte i støtfangeren på en bil, i vindmølleblader eller sportsutstyr. Styrken til plastmaterialet kan forbedres ved å tilsette glassfiber. For å kunne beregne hva de tåler av strekk, trykk, støt og krasj må man vite hvordan materialene ser ut på innsiden.
Petter Holmstrøm er den første og så langt den eneste stipendiaten ved SIMLab som har gitt seg i kast med å evaluere materialmodeller for fiber-forsterket termoplast. Avhandlingen «An experimental and numerical study of the mechanical behaviour of short glass-fibre reinforced thermoplastics» er på nærmere 400 sider.
Gjør biler lettere uten at de mister styrken
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 at styrken er ivaretatt. Støpte polymerer har også den fordelen at én komponent kan erstatte en del av konstruksjonen som tidligere bestod av et antall deler skrudd fast i hverandre. For industrien, ikke minst bilindustrien, gjelder det å krympe vekt, tidsbruk og pris i tillegg til å øke fleksibiliteten når man designer.
Holmstrøm har evaluert to materialmodeller for glassfiber-forsterket plast. Etter nesten fire år med doktorgradsarbeid, mener han å ha levert en avhandling med en solid helhet. (Foto: Sølvi Waterloo Normannsen)
Ulik styrke i ulike retninger
Når fibre støpes inn i plasten, blir den stivere, sterkere og mer sprø. Den injiseres som en oppvarmet væske, og kan fylles i en hver tenkelig form. Dermed er polymerer egnet til forming av geometrisk kompliserte deler. 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.
-Når vi vet at det er en faktor 2 i forhold til hvilken retning vi strekker, så bør industrien ta det med i betraktning, mener stipendiaten.
Det som ikke kan simuleres kan ikke brukes
-Når en plastdel er designet for å ta last i samspill med andre deler, må du kunne simulere oppførselen under belastning, forklarer han.
-Kan du ikke simulere, kan du ikke bruke materialet – med mindre vi snakker om et kjøkkenredskap, slår Holmstrøm fast.
Som tømmerstokker i en elv
Når flytende plast injiseres og flyter gjennom støpeformen, bestemmes orienteringen til hver enkelt fiber av strømningsbetingelsene, eller retningene på den flytende plastmassen.
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 komponent med komplisert geometri, som for eksempel en støtfanger, er det krinkler og kroker som hindrer støpe-strømmen. Det kaotiske strømningsmønsteret gjør at fibrene, akkurat som tømmerstokken, kan klumpe seg sammen i en ball eller konsentrere seg i ett område.
Matematisk modell beregner oppførsel
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 er den første stipendiaten i SIMLab som har gjort omfattende bruk av 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.
X-CT-bilde (X-ray computed tomography) av polypropylen med 30 vektprosent glassfiber. Fargene korresponderer med fibrenes vinkler projisert til plateplanet. MFD = Mould Flow Direction (retningen på støpestrømmen).
Ødelegge for å beskytte
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 man drar sakte én vei til prøvestykket ryker.
Resultatene fra eksperimentene brukes til å lage en materialmodell som beskriver oppførselen. Deretter brukes modellen i simuleringer for å se om det er samsvar med fysiske forsøk.
Unngå svake soner
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 man først gjøre en simulering av støpeprosessen, for så å overføre informasjon om fibrenes orientering til styrkesimuleringer.
-Dette er fullt mulig å gjøre i dag, men slike metoder er foreløpig bare i liten grad tatt i bruk av industrien, ifølge stipendiaten.
Dermed blir det vanskelig å vite i forkant hvor man har en ugunstig fordeling av fibrene i et produkt.
-Det er helheten 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 han.
Bilindustrien har bruk for egenskapene
Petter Holmstrøms prøvestykker er laget av glassfiberarmert polypropylen og polyamid. (Foto: Sølvi Waterloo Normannsen)
For bilindustrien er det også viktig å utnytte at fiberarmerte polymerer er mindre stive og har lavere styrke enn for eksempel stål. Metaller gir ikke etter på samme måte ved et sammenstøt. Ved en påkjørsel vil energien fra sammenstøtet tas opp i og deformere støtfangeren i stedet for kroppen til fotgjengeren.
Jo mer kreftene kan spres, jo mindre skade på den som utsettes for ulykken. Dette taler til fordel for plastmaterialer. Alt dette kan simuleres i dataprogrammer, så lenge en har gode modeller for hvordan man kan representere det fiberarmerte materialet.
Dette sparer industrien for tid og store penger.