Ny bildbaserad beräkningsmetod kan visa prestandan hos en flygplansvinge

Kolfiberkompositer är en typ av kolfiberarmerad plast som är vanligt förekommande inom bland annat flyg- och vindkraftsindustrin då det är ett mycket lätt och starkt material. Genom att identifiera hur kolfibrerna är orienterade och fördelade i en komposit kan man beräkna materialets mekaniska egenskaper, exempelvis hur starkt och styvt det är, vilket är viktigt för att kunna designa och kvalitetstesta lastbärande konstruktioner.

För att identifiera fibrernas orientering och fördelning i en kolfiberkomposit kan man använda sig av datortomografi, en röntgenmetod som resulterar i 3D-bilder. Eftersom fibrerna är mycket tunna, ungefär en tjugondel av ett hårstrå, krävs mycket hög upplösning för att kunna se dem. Den höga upplösningen leder till en stor datamängd och att volymen som kan analyseras blir mycket liten, vanligtvis några kubikmillimeter.

Ny metod möjliggör analys av riktiga komponenter

Forskare vid Chalmers, ETH, DTU och Paul Scherrer Institut har nu utvecklat en ny bildbaserad beräkningsmetod som gör det möjligt att analysera styvheten hos kolfiberkompositer även vid användning av låg upplösning, det vill säga att man egentligen inte kan se de enskilda fibrerna. Detta resulterar i att man kan analysera materialvolymer på några kubikdecimeter, alltså en miljon gånger större än man tidigare kunnat.

– Eftersom den höga upplösningen begränsar storleken på volymen som kan skannas har man tidigare inte kunnat analysera riktiga komponenter utan varit tvungen att skära ut mycket små provbitar, säger Robert Auenhammer som är doktor i material- och beräkningsmekanik vid institutionen för industri- och materialvetenskap.

– Utöver att man måste skära sönder det man vill analysera är en nackdel med detta att man inte kan lita på att den lilla provbiten representerar hela den stora strukturen.

Med den nya beräkningsmetoden är man dock inte längre begränsad till att utgå från små provbitar utan har möjlighet att bestämma styvheten för riktiga komponenter, vilket kan ha stora fördelar för bland annat flyg- och vindkraftsindustrin.

– Att kunna ta fram egenskaper för riktiga komponenter med hög precision kan underlätta för industrin att förbättra sina produkter och reducera både materialförbrukning och kostnader. Man kan exempelvis skanna hela strukturdetaljer hos en flygplansvinge och ta reda på om det uppstått några dolda defekter i tillverkningsprocessen, säger Robert Auenhammer.

Att fastställa styvheten för kompositer är viktigt för att kunna designa lättare lastbärande konstruktioner. Kolfiberkompositer har nämligen inte samma styvhet i alla riktningar – den är högre längs med fibrerna och lägre tvärs över. Detta gör att materialet blir lättare än om styvheten hade varit hög i alla riktningar.

– En fördel med kolfiberkompositer är att man kan specificera i vilken riktning styvheten behövs mest. På så sätt kan man skapa en lättare konstruktion än med material som är lika styvt i alla riktningar, som exempelvis stål. Vindturbinblad och flygplansvingar behöver till exempel högst styvhet längs med bladet eller vingen och designas därför med fibrerna orienterade i den riktningen, säger Robert Auenhammer.

Potential att räkna ut fler egenskaper

Forskningen bakom den nya beräkningsmetoden öppnar även upp för ytterligare framsteg inom den tomografibaserade materialforskningen.

– Vår forskning visar vilka enorma möjligheter som finns med tomografibaserade beräkningsmetoder. Vårt bidrag är ett första steg inom det här området men nu krävs mer forskning för att ta det vidare. På liknande sätt som vi har utvecklat vår metod skulle man kunna ta fram metoder för att räkna ut fler egenskaper hos kompositer, som exempelvis hållfastheten, säger Robert Auenhammer.

Samarbetet mellan Chalmers, ETH, DTU och Paul Scherrer Institut skapades genom det EU-finansierade forskningsprojektet Mummering, som syftade till att utveckla ett forskningsverktyg för att hantera och analysera 3D-bilddata. Projektet organiserades av DTU tillsammans med ledande europeiska forskare inom datortomografi.

– Mummering-projektet var mycket framgångsrikt och särskilt gynnsamt för oss på avdelningen för material- och beräkningsmekanik då vi har mycket kompetens inom materialmodellering, vilket krävs för att kunna utnyttja de framsteg som görs inom tomografitekniken, säger Leif Asp som är professor i lätta kompositmaterial och strukturer vid institutionen för industri- och materialvetenskap.

Mer om datortomografi

Den typ av datortomografi som används inom materialforskningen bygger på samma teknik som sjukhusens skiktröntgen som bland annat används för att upptäcka tumörer hos patienter. Röntgenobjektet avbildas i skikt genom att 2D-bilder tas från flera olika riktningar och konstrueras till en 3D-bild.

Inom materialforskningen används dock vanligtvis högre upplösning och högre strålningsdos än vid sjukhusens röntgenundersökningar, och röntgenprocessen kan ta upp till flera timmar eller dagar. En ytterligare skillnad mellan teknikerna är att man vid en skiktröntgenundersökning roterar strålningsutrustningen runt patienten, medan man inom materialforskningen roterar själva provkroppen i stället för utrustningen.

Den bildmetod som den nya beräkningsmetoden baseras på kallas X-ray scattering tensor tomography och har utvecklats vid Paul Scherrer Institut. Bildmetoden gör det möjligt att få fram information om fiberorienteringen hos kompositmaterial vid användning av låg upplösning, med hjälp av speciella optiska element och anpassade matematiska beräkningsmetoder.

Utöver mindre utrustning som får plats i laboratorium används även stora anläggningar inom materialforskningen, så kallade synkrotroner. MAX IV-laboratoriet i Lund och Swiss Light Source vid Paul Scherrer Institut i Schweiz är exempel på sådana. En synkrotron består av ett stort cirkelformat rör där laddade partiklar accelereras till hastigheter nära ljusets hastighet. När partiklarna accelereras avger de strålning som sedan används med hjälp av särskilda instrument för att ta detaljerade bilder av material.