3D-print og en krøllet coladåse gør os klogere på fremtidens grønne materialer

Vi flyver, vi bygger vindmøller, og vi konstruerer alverdens dimser og dutter. Men vi vil gerne kunne gøre det grønnere, bedre og billigere. Og det er ikke nemt.

Én måde at gribe det an på er at udforme metamaterialer med helt målrettede egenskaber.

Et metamateriale er kendetegnet ved at have egenskaber, der overstiger egenskaberne af det basismateriale, det er bygget op af.

Lad os tage et eksempel: Vi vil gerne gøre et fly lettere, så det skal bruge mindre brændstof.

Men flyet skal jo stadig kunne modstå de mange kræfter, der er i spil fra vind, vejr og turbulens, så man kan jo ikke bare skifte stål ud med plastik for eksempel.

Men hvad nu, hvis vi kunne lave et metamateriale, der vejede næsten lige så lidt som plastik, men var lige så stift og stærkt som stål? Det kunne jo være fantastisk.

Det er netop den type materialer, vi forsøger at lægge grundstenene til i vores forskningsgruppe. I denne artikel fortæller vi dig om vores jagt på det helt rigtige kompromis mellem styrke og stivhed, som gør os i stand til at skræddersy fremtidens forbedrede materialer.

Vi leder efter det bedste kompromis

Her kommer ’topologi-optimering’ i spil.

Ordet topologi kan måske lyde lidt fremmed. Det kommer da også fra græsk og betyder ’læren om et matematisk objekts geometriske egenskaber’. Topologien er med andre ord udformningen:

• Har objektet huller?
• Hvor mange kanter og sider har det?
• Hvordan er det i det hele taget begrænset?

Når vi topologioptimerer, forsøger vi, ved hjælp af matematik at finde den bedste udformning ud fra nogle bestemte kriterier.

Forestil dig en kasse, der kan fyldes med et basismateriale. Det kunne for eksempel være stål.

Vi forsøger så at regne ud, hvor i kassen der skal være materiale, og hvor vi kan efterlade huller, samtidig med at de ønskede egenskaber bliver bevaret eller forbedret.

En sådan kasse med huller kalder vi for en celle. Hvis vi sætter en masse af disse celler ved siden af hinanden i hver retning, får vi vores metamateriale.

Intet her i verden er som bekendt gratis: Vi kan ikke slå en solid blok i styrke, men vi leder efter det bedste kompromis mellem stivhed, styrke og vægt.

Stivhed og styrke er særligt vigtigt

I helt nye eksperimenter har vi undersøgt en række topologi-optimerede celler,hvor vi har taget højde for to grundlæggende egenskaber: Stivhed og styrke.

Et materiales stivhed er et mål for dets evne til at modstå deformation. Stål er for eksempel stift. Det kræver enormt stor kraft at deformere (bøje) det. Gummi er modsat blødt og deformerer nemt.

Den anden egenskab, styrke, er nogle gange overset.

Det kan da også umiddelbart lyde som det samme som stivhed. Men man kan godt have et materiale, som er stift, men ikke er særlig stærkt. Det er faktisk ofte tilfældet.

Styrke er målet for, hvor meget kraft man kan påføre, før et objekt kollapser.

Elastikken er dåsens modsætning

Tag for eksempel en coladåse: Træder du på den, kommer der et bestemt punkt, hvor du har lagt lige præcis nok kraft i, til at coladåsen braser sammen.

Når det er sket, kan den ikke komme tilbage til den tilstand, den var i før. Den kraft, du trådte med, lige før den gik i stykker, beskriver således coladåsens maksimale styrke.

Helt anderledes er gummi: Når man trækker i en elastik, deformerer den meget. Man skal til gengæld hive virkelig meget i den, før den knækker.

Den har altså høj styrke, men lav stivhed.

For coladåsen er det omvendt. Den har høj stivhed, da det kræver en stor kraft, for at den deformerer bare en lille smule. Til gengæld kan den ikke deformere ret meget, før den bryder sammen. Den har altså lav styrke.

Coladåsen viser dermed, at vi skal skelne mellem materialer og strukturer.

For selvom coladåsens styrke og stivhed naturligvis afhænger af basismaterialet aluminiums egenskaber, afhænger egenskaberne i den grad også af geometrien.

Jo tyndere og højere dåsen er, desto svagere er den. På samme måde er styrke og stivhed af et metamateriale nødvendigvis afhængig af basismaterialet, men den skræddersyede geometri er i sidste ende afgørende for de endelige egenskaber.

Grænsesøgende materialer: En flyvinge må jo ikke krølle sammen

Meget forskning inden for topologi-optimering har indtil videre fokuseret på stivhed og ikke taget højde for styrke.

Så længe man ikke nærmer sig en konstruktions maksimale styrke, altså svarende til det punkt hvor coladåsen kollapser, så betyder det heller ikke så meget.

Men netop med disse optimerede metamaterialer presser man grænserne, og det siger sig selv, at en fly-vinge jo ikke må krølle sammen som en coladåse.

Derfor er det vigtigt at tage højde for styrken, når vi udvikler nye metamaterialer.

Vores eksperimenter er blandt de første, som tager styrke med i overvejelserne i forhold til topologioptimering af materialestrukturer.

Vores optimerede designs (som du kan se i illustrationen til højre) er bygget op af celler, og det nye metamateriale skal forstås som en hel masse gentagelser af disse små specielle terninger.

Hver terning er fyldt op med 20 procent basismateriale.

T er en simpel referencestruktur, som består af standard stangelementer – her har vi ikke brugt topologioptimering.

Men vi har lavet T for at se, hvordan en simpel struktur med samme mængde basismateriale opfører sig, sammenlignet med de optimerede designs.

Håbet er, at vores optimerede designs bør være en meget bedre måde at fordele basismaterialet på sammenlignet med T.

Med 3D-print kan vi skubbe grænserne

De store fremskridt inden for 3D-print de seneste år har gjort, at vi kan realisere vores komplekse designs.

Vi har printet to udgaver: Én med to gentagelser i hver retning og én med fire.

Vi har derefter placeret strukturerne enkeltvis i en maskine, der belastede dem, indtil de kollapsede. Maskinen kan både måle, hvor meget kraft den påvirker strukturen med, og hvor mange millimeter den trykkes sammen.

Og hvordan gik det så?

Hvis vi sammenligner vores matematiske forudsigelser med eksperimenterne, er overensstemmelsen rigtig god. Det er gode nyheder.

Det giver nemlig tro på en fremtid, hvor vi med computermodeller kan designe materialer med lige præcis den kombination af stivhed og styrke, vi ønsker os i anvendelsen – og så regne med, at metamaterialet faktisk opfører sig, som modellen siger.

For at være helt sikker på, at de 3D printede strukturer ikke bare klarede sig godt, fordi printeren måske var lidt for gavmild med materiale, fik vi 3D-scannet én af prøverne.

Den skannede geometri kunne vi så tage tilbage ind i vores computer, for at forudsige, hvor godt den ægte geometri teoretisk set klarede sig.

Igen stemmer kurverne godt overens, som du kan se i venstre diagram her.

Bedste design var tre gange stærkere

Det bedste af de tre designs (O2) var næsten tre gange stærkere end den simple referencekonstruktion (den, vi har kaldt T foroven, som bestod af stang-elementer), men stadig lige så stiv. Det betaler sig altså at optimere.

Disse forsøg demonstrerer et stort potentiale.

I fremtidens konstruktioner kan man forstille sig, at det bliver muligt at skræddersy materialer, så de underliggende celler er optimeret til den specifikke anvendelse.

Det kunne være et lettere (og dermed grønnere) fly, som vi nævnte i tidligere. Men det kunne også være vindmøller, biler eller satellitter i rummet, hvor vi ligeledes gerne vil spare materiale. Enten for at sænke brændstofforbruget, eller for i det hele taget at bruge færre af jordens ressourcer, når vi bygger nyt.

Metamaterialer kan tænkes ind i alle skalaer. De kan lige så vel hjælpe os med at lave bedre mikroskopiske elektroniske komponenter, som store flyvemaskiner.

Vi har vist, at det på rejsen mod bedre materialer er vigtigt ikke kun at tænke på at opnå stive materialer, men også kigge på deres styrke. Og at man inden for topologioptimering – ligesom i mange af livets andre aspekter – kan komme langt med kompromiser.

Dette arbejde var støttet af en bevilling fra VILLUM Fonden (Villum Investigator Project Innotop).