Plasten som gjør biler bedre  

Biler, vindmøller og sportsutstyr bruker gjerne deler i fiberforsterket plast, blant annet fordi de er så lette og sterke. Nå vet vi mer om hvordan plasten oppfører seg.

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. Avhandlingen handler om hvordan vi kan representere materialet i numeriske simuleringer.

– 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, sier Holmstrøm.

I tillegg handler det 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.

Sikrere for fotgjengere

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.

X-CT-bilde (X-ray computed tomography) av polypropylen med 30 vektprosent glassfiber. Fargene korresponderer med fibrenes vinkel når fibrene er projisert til plateplanet. MFD = Mould Flow Direction (retningen på støpestrømmen). (Illustrasjon: Petter Holmstrøm)

Alt dette kan simuleres med dataprogrammer, så lenge vi har gode modeller for hvordan vi kan representere det fiberarmerte materialet.

Ulik styrke i ulike retninger

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.

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, sier Holmstrøm. – Kan du ikke simulere, kan du ikke bruke materialet – med mindre vi snakker om et kjøkkenredskap.

SEM-bilde (Scanning electron microscopy) av en bruddflate i fiberforsterket polypropylen. (Fu et al., Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2000. Gjengitt med tillatelse fra Elsevier)

I en enkel 3 millimeter tykk og flat plate vil fibrene 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.

Matematisk modell beregner oppførsel

Prøvestykkene 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 mener det eksperimentelle arbeidet står på egne ben og vil være verdifullt for andre. Her er han under innspurten med veileder professor Arild Holm Clausen. (Foto: Sølvi W. Normannsen, NTNU)

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.

Artikkelen er kortet noe ned av redaksjonen.

Toppbilde: Petter Holmstrøms prøvestykker er støpt i fiberarmert polypropylen og polyamid. (Foto: Sølvi W. Normannsen, NTNU)

Dette nettstedet bruker Akismet for å redusere spam. Lær om hvordan dine kommentar-data prosesseres.

Rull til toppen