I framtida kan bilindustrien spare tid og penger. Testkrasjene kan langt på vei gjøres i virtuelle laboratorier. Derfor utdanner CASA ved NTNU folk med stadig mer kunnskap om hvordan for eksempel aluminum oppfører seg i sammenstøt. Illfoto: NTB scanpix

Sikrere biler og bygg starter på nano-nivå

Når ulykken er ute, kan materialene i bilen, båten eller bygget du befinner deg i bety forskjellen på liv og død. Skal vi oppnå best mulig beskyttelse, må vi vite mest mulig om hvordan for eksempel aluminium oppfører seg.

Se for deg byggesteiner som er så små at flere milliarder av dem får plass i en bit aluminium på størrelse med en sukkerbit.

Tenk deg så at du skal modellere hvordan de oppfører seg når de utsettes for krasj, støt eller andre ytre påkjenninger. Her, i dette universet av atomer- og partikler, jobber forskerne Emil Christiansen og Bjørn Håkon Frodal i SFI CASA med å forstå hvordan aluminium oppfører seg under ekstreme belastninger.

Dette er faktisk livreddende forskning.

Forskning for bedre materialer

– Vi prøver å forstå hvordan de minste byggesteinene oppfører seg når vi bøyer, strekker og deformerer materialet. Rett og slett fordi denne kunnskapen vil gi oss byggematerialer av høyere kvalitet, sier Emil Christiansen.

Emil Christiansen er opptatt av aluminiumskrasj på nanonivå. I arbeidet har han blant annet benyttet NTNUs transmisjonselektronmikroskop. Foto: Sølvi W. Normannsen

Bjørn Håkon Frodal slår fast:

– Å forstå fysikken på mikronivå inne i metalliske materialer er helt grunnleggende.

Forskerne gir tre eksempler på industri som trenger denne kunnskapen – og hvorfor:

  • For at aluminiumprodusentene skal kunne utvikle, fornye og forbedre legeringene sine, må de vite mest mulig om hva som påvirker egenskapene til materialene de lager.
  • Bilindustrien har som mål drastisk å kutte ned på fysisk krasjtesting av biler. Da trenger den datamodeller som i stedet kan simulere oppførselen til materialene.
  • Energi- og byggeindustri trenger kunnskap om oppførselen og tåleevnen til materialene de bruker, for å stå best mulig rustet mot uhell og ødeleggelser.

Styrker CASAs virtuelle laboratorium

Frodal og Christiansen er først ute i rekken av i alt 6 stipendiater som forsvarer avhandlingene sine ved CASA i høst. CASA er et Senter for forskningsdrevet innovasjon (SFI) ved Institutt for konstruksjonsteknikk på NTNU. Senterets vertskap er forskningsgruppen SIMLab. Dette miljøet er verdensledende på kunnskap om hvordan materialer og konstruksjoner oppfører seg under ekstrem belastning.

Prøvekrasj på PC kan spare industrien for enormt med tid og penger.

Et stort satsingsområde for CASA er et virtuelt laboratorium (VL) for design av konstruksjoner i aluminium. Målet er at dette skal bidra til å redusere, eller aller helst overflødiggjøre for eksempel fysiske krasjtester av biler.

Med andre ord: Prøvekrasj på PC kan spare industrien for enormt med tid og penger. Samtidig ligger det en stor miljøgevinst i virtuell testing.

Fasiten befinner seg på nano-nivå

Hvis du ser for deg VL som en kjede av modeller med fire hovedverktøy, er Emil Christiansens arbeid et bidrag på det absolutte startpunktet. Her snakker vi om atomer og ørsmå byggesteiner ned på størrelser med en tusendels hårsbredd.

Christiansen mener fasiten ligger på nano-nivå.

Al-Mg-SI-utfellinger i aluminium. Utfellingene er nålelignende og strekker seg i tre vinkelrette ret ninger. I det innfelte bildet er enkeltatomene synlige.

– Du må gå helt dit ned for å se hva som virkelig skjer i materialene. Det er som å ta en avsjekk på mye av den teoretiske forskningen som finnes, mener han.

Forskeren har jobbet på et av verdens mest sofistikerte elektronmikroskoper for å se hva som beveger seg i materialene på atomnivå: Det store transmisjonselektronmikroskopet (TEM) på NTNU.

Nabokrangel mellom atomer

Her kan han zoome inn i aluminium-universet befolket av ulike atomer. De er så små at det ikke er til å begripe, men de har en oppførsel vi kan kjenne igjen.

Ta for eksempel magnesium eller silisium. Hvert atom har sin egen sfære omgitt av et visst antall atomer, lagt ut i sirlig struktur og orden inntil hverandre.

De er så små at det ikke er til å begripe, men de har en oppførsel vi kan kjenne igjen.

Når materialet blir utsatt for belastning eller trykk, skyves atomene over i hverandres intim-sfærer. Det er som å bli invadert av plagsomme naboer fra alle kanter. Det oppstår gnisninger, og på et gitt tidspunkt får atomene nok og rømmer så å si unna. I det øyeblikket de gir etter, beveger seg bort eller forskyver seg, oppstår det en feil eller ustabilitet i materialet.

– Bruken av aluminium har en lang historie, og vi vet mye om dette metallet. Samtidig, når vi studerer tidligere forskning, finner vi både selvmotsigende og upresist arbeid. Vi må kanskje rydde opp og røske litt i gammel kunnskap. Det er først nå vi kan se hva som skjer inne i metallene, sier Christiansen.

Som armeringsjern i betong

Bjørn Håkon Frodal jobber litt lenger opp i VL-kjeden, på korn-nivå, med det som på fagspråket kalles krystallplastisitetsmodellering.

– Jo dypere vi går ned i målestokk, jo mer informasjon får vi. Min hovedinteresse er krystaller og primærpartikler. Det er på dette nivået skade og brudd oppstår, sier Frodal.

Bildet leder til en sak om aluminiumsforskning

Bjørn Håkon Frodal har forsket på hva som skjer i bruddprosessen til aluminiumslegeringer. Spesielt materialenes formbarhet og evne til å deformeres uten at det oppstår brudd. Foto: Sølvi W. Normannsen

Aluminium er et sølvhvitt og lett materiale. I ren form er det så mykt at det lett kan bøyes med håndmakt. Metallet har en korn-struktur, og inne i kornene er det stabler med ekstremt velorganiserte atomer i gitterformer. Hvert korn måler 50-100 mikrometer (0,05-0,1 mm).

Materialene utsettes for ekstremt press, før de blir strukket ut til de går i brudd.

For å øke styrken på materialet tilsettes ørsmå mengder magnesium og silisium. Disse stoffene danner utfellinger, partikler formet som nåler eller skiver, og fungerer på samme måte som armeringsjern i betong.

Biler og sårbare menneskekropper

Bjørn Håkon Frodal har bidratt til å utvikle en modell for det som kalles krystallplastisitet. Modellen gjør det mulig å forutsi hva som skjer i hvert av de bittesmå kornene når materialet utsettes for krasj, støt eller annen ekstrem belastning. Han har gjort omtrent 200 eksperimenter på 3 forskjellige ekstruderte aluminiumslegeringer. Disse er igjen varmebehandlet på 3 ulike måter.

Testene kan sammenlignes med voldsom tortur. Materialene utsettes for ekstremt press, før de blir strukket ut til de går i brudd.

Hvorfor?

For i den virkelige verden er det dette som for eksempel skjer når en bil kolliderer.

Hva styrer utviklingen av skade og feil?

Forestill deg krasjboksen, som ligger bak støtfangeren i bilen din. Den er laget av aluminium og har én oppgave: Å ta opp energi for å beskytte din ytterst sårbare menneskekropp.

Under krasj vil materialet først komprimeres og foldes sammen. Under foldingen vil deler av materialet strekkes og det kan oppstå skade og brudd.

Krasjbokser etter sammenstøt. Foto: SFI CASA

Aluminiumsprofil utsatt for krasj. Materialet foldes og strekkes, og skade har oppstått. Foto:SFI CASA

Frodal sin forskning er et betydelig skritt fremover når det gjelder å forstå og beskrive den duktile bruddprosessen til aluminiumslegeringer. Duktilitet sier noe om materialenes formbarhet og evne til å deformeres uten at det oppstår brudd.

Siden de inneholder jern og silisium, er primærpartiklene harde. Når materialet deformeres, sprekker de og danner hulrom. Når belastningen øker, vokser hulrommene sammen med andre hulrom. Når dette skjer, sprekker materialet.

Frodal drives av spørsmålet om hvordan ulike belastninger styrer utviklingen av skade og feil.

Styrker koblingen

Både i Bjørn Håkon Frodal og Emil Christiansens doktorgradsavhandlinger inngår én artikkel de har skrevet sammen (ikke enda publisert). Arbeidet deres styrker det virtuelle laboratoriet som et verktøy for design av biler og beskyttelsesstrukturer.

Den nye kunnskapen gjør CASA-forskerne i stand til å utføre mer robuste, raskere og mer varierte simuleringer. Dermed tas et betydelig skritt mot SIMLab sitt langsiktige mål:
At det virtuelle laboratoriet kan minimere, eller til og med gjøre fysisk testing overflødig, og dermed bidra til bedre miljø, sikrere biler, bygg og andre konstruksjoner.

Mer om Emil Christensens forskning i SFI CASA Newsletter
Mer om Bjørn Håkon Frodals forskning i SFI CASA Newsletter
CASA (Centre for Advanced Structural Analysis), NTNU