Sedan stenåldern, bronsåldern och järnåldern har utvecklingen av material hjälpt till att driva på människans utveckling och framsteg. Under 2000-talet har kraven från bland annat flyg- och fordonsindustrin förflyttat materialegenskapernas gränser till mer extrema nivåer.
Det ligger i människans natur att alltid titta framåt och se hur det vi önskar vore möjligt. Fordonsindustrin är ett bra exempel på detta. När Ford släppte sin önskelista på material för framtidens bilar fanns där exempel på material som kan rädda liv. Professor Pim van der Jagt, Executive Technical Leader vid Fords Research and Advanced Engineering, nämnde t.ex. en ny typ av stål som är tre gånger starkare än dagens stål, plastskum som kan stabilisera strukturer vid olyckor och nanofillerkompositer som ger betydligt lägre vikt samtidigt som de ökar styrkan i komponenten. (Källa: http://articles.sae.org/12297/)
I dagens samhälle ser även flygindustrin framåt, mot tuffare, lättare och mer värmetåliga material som minskar utsläppen, kapar bränslekostnaderna och möjliggör högre hastigheter. Inom flygindustrin har man hittills förlitat sig på kompositmaterial. Dr Eleanor Merson, specialist på kompositforskning, säger att ”för trettio år sedan bestod ett flygplan av mellan 5 och 6 % kompositmaterial; ett modernt flygplan som Dreamliner består idag av cirka 50 % kompositmaterial.”
Trots att kolfiberkomposit bara väger en femtedel så mycket som stål är den starkare. I Dreamliner finns det till exempel kolfiberkomposit i vingarna, stjärten, dörrarna, flygplanskroppen och inredningen, vilket ger ett lättare plan. När det gäller flygplan är varje kilo viktigt. Experterna räknar med att om man minskar ett kommersiellt flygplans vikt med ett kilo så kan det sänka driftkostnaden med mellan 2000 och 3000 euro per år.
En Lamborghini fullmatad med komposit
Kompositmaterial används allt oftare i bilar, vindturbinblad och andra produkter. Till exempel består BMW:s elbil i3 till största delen av kompositmaterial. BMW säger att den lägre vikten gör att man kan köra bilen så långt som 160 km på en enda laddning. Lamborghinis extrema gatbil Veneno Roadster är fullpackad med viktsänkande kompositdelar som tar den från 0 till 100 på 2,9 sekunder. Kompositer är numera billigare att producera och allt fler företag tillverkar dem, men produktionen av finkorniga kompositer kräver fortfarande höga temperaturer och extremt rena miljöer och det är en mycket arbetsintensiv process. Att sedan bearbeta dessa finkorniga kompositmaterial är en ännu större utmaning.
”Skärande bearbetning, och då särskilt borrning, i kompositmaterial är en stor utmaning”, säger Merson, som forskar om kompositmaterial för Sandvik Coromant. ”Ett flygplan har tiotusentals hål i sig och materialet är mycket nötande. Kolfiber sliter snabbt ut borren.”
I framtiden kommer kompositmaterial troligen att förstärkas ytterligare med hjälp av fiber som har utvecklats på nanoskalenivå. Vi förväntar oss också att forskare kommer att kunna skapa i det närmaste perfekta lösningar på atomnivå. Specialister på det tyska kemiföretaget Altana AG säger att tunna kolnanorör kan göras 400 gånger starkare än stål eller aluminium och 20 gånger starkare än konventionella kolfibrer.
Grafen i smarttelefoner
Material som grafen och kvasikristaller, vars upptäckare tilldelades Nobelpriset, verkar ännu mer lovande i sin roll som tuffa material och kan revolutionera den industriella designen fullständigt. Däremot förväntar man sig inte vitt spridda industriella tillämpningar på länge.
Förra året började ett kinesiskt företag blanda i grafenkorn i sina mobiltelefoner för att förbättra ledningsförmågan. Flingor av kvasikristaller har gjutits in i stekpannor och kirurgiska instrument av metall för att öka deras hållbarhet. Även om det inte kommer några större industriella genombrott inom den närmaste framtiden så görs det stora investeringar inom grafenforskning. Grafen är 200 gånger starkare än stål och världens tunnaste material (1 miljon gånger tunnare än ett mänskligt hårstrå). Samtidigt fokuserar forskare och universitet på att förbättra kända material och tekniker.
Lätta aluminiumlegeringar har nu ersatt höghållfast stål i stötfångare, sprängskyddskomponenter och krockskyddsbalkar. I flygplansmotorer kan superhårda legeringar som står emot extrema temperaturer hjälpa till att förbättra energiomvandlingen och sänka bränslekostnaderna.
Beläggningar som är hårdare än stål
Fysikalisk ångdeponering (PVD) och kemisk ångdeponering (CVD) är processer som ger föremål en mycket tunn men hård och värmetålig filmbeläggning. Teknikerna började användas i stor skala på 1980-talet och används fortfarande för mekaniska, optiska och elektroniska anordningar.
Sandvik Coromant använder de här metoderna för att härda ytan på sina skärverktyg. Skärets kärna tillverkas av hårdmetall som huvudsakligen består av volframkarbid och kobolt.
”Lägg till ett två till tio millimeter tjockt lager PVD så ökar skärets livslängd med en faktor på 100”, säger Mats Ahlgren, som är expert på materialfysik och chef för PVD-avdelningen hos Sandvik Coromant. ”Kunderna kan inte bara använda skären mycket längre, de kan också höja sin produktivitet genom att arbeta med mycket högre hastigheter och matningar.”
Aktuell forskning fokuserar på att göra beläggningen ännu tuffare för att klara av kraven på tåliga material.
”Under de senaste åren har vi utvecklat vår förmåga att kontrollera processen där vi tillverkar nya beläggningar”, säger Ahlgren. ”Vi kan se strukturen i mikroskop, bokstavligt talat nere på atomnivå, vilket hjälper oss att analysera nya lösningar innan vi tillämpar dem live.”
2013 fick Sandvik Coromant patent på sin CVD-beläggning Inveio™. Med kristaller vända i samma riktning var Inveio ett stort framsteg inom hållbarhet och hårdhet.
I och med användningen av tuffare material minskar behovet av att ha en stor mängd robusta komponenter i en struktur. Designers blir allt mer selektiva när de väljer material för olika delar till bilar eller flygplan. Vissa maskindelar behöver inte vara så starka. Det är den filosofin som Ian Scoley, före detta chef för industridesign hos Airbus, hade när han fokuserade på kabinens utformning. Nu arbetar Scoley som chef för industridesign hos C&D Zodiac och säger att han får sin inspiration från fågelskelett. ”De är starka där det behövs, men de är lätta och öppna där de behöver vara flexibla.”
Enastående återvinning
Även om flygplan och bilar använder allt mindre energi och släpper ut allt mindre avgaser tack vare nya material och konstruktioner, blir återvinning allt viktigare. Många kompositmaterial är till exempel tillverkade med häftande bindemedel som är svåra att separera och återvinna, men nya aluminiumlegeringar inom bilindustrin skapas med framtida återvinning i åtanke.
Återvinning har till och med blivit en drivkraft inom biltillverkning. Europeiska regeringar kräver att alla bilar byggs så att 85 % av materialet kan återanvändas. ”Bilföretagen utvärderar varenda del av bilen för att uppfylla kravet”, säger Arjen Bongard, en bilindustrianalytiker med bas i Tyskland.
Utmaningen att återvinna allt mer leder till innovativa lösningar. Ford har börjat använda vetehalm och sojaprodukter i sin inredning och forskar om kokosnötsskal, morötter och majsbaserade plastmaterial. Företagets vision är att tillverka inredningar som är 100 % biologiskt nedbrytbara.
”Det är väldigt viktigt att vi arbetar med att hitta alternativa material, lika viktigt som behovet av att skapa kostnadseffektiva ersättningar och återvinningsprocesser”, säger Anna Hultin Stigenberg, chef för Forskning och Utveckling hos Sandvik Coromant. Hon var fram till nyligen ordförande i den internationella ledningskommittén för kunskap och innovation inom råmaterial, ett initiativ som för samman fler än 100 företag och forskningsanläggningar för att främja utvecklingen av hållbara material.
På atomnivå
Men varför nöja sig med material som redan finns? Människor utvecklar förmågan att skapa helt nya material – material med specifika egenskaper.
”Vi blir mycket bättre på att designa nya material på atomnivå med hjälp av moderna mikroskop och datorberäkningar”, säger Hultin Stigenberg.
Sedan järnåldern tog slut cirka 550 före vår tideräkning har inget enskilt material definierat en period i mänsklighetens historia. Många akademiker säger att vi lever i plaståldern, men i framtiden kan vår tid lika gärna kallas nymaterialåldern, och dess effekter på människans utveckling kan vara mycket större än vi kan föreställa oss nu.
