Tusentals år efter att den keramiska produktionsprocessen uppfanns, en ny lösning har äntligen utvecklats, med stor potentiell inverkan på produktionskostnaden, procentandelar avslag och branschens övergripande hållbarhet.
Keramik var ett av de första materialen våra förfäder bemästrade och förvandlade till keramiska plattor, keramik och lertegel. Med allt detta samlade kunnande – de första människo- och djurfigurerna gjorda av lera dök upp runt 24000 f.Kr. – du kan bli förlåten för att tro att nuvarande keramikproducenter använder väloljade processer med minimala eller inga förluster eller defekter.
Sanningen är den, vi är långt därifrån. Istället för att förbättras med tid och erfarenhet, sättet att tillverka keramik har inte förändrats mycket. De erhålls fortfarande genom en process som kallas formning – där oorganiska pulver, med eller utan vatten, formas till önskad produkt – följt av bränning vid hög temperatur, typiskt över 1 000 °C.
"Båda stegen är avgörande för de mekaniska egenskaperna och kvaliteten på slutprodukten, men även idag, den keramiska bearbetningen och designen är i huvudsak baserad på trial-and-error, " säger prof. Andrea Piccolroaz, koordinator för CERMAT2-projektet (Ny keramisk teknologi och nya multifunktionella keramiska anordningar och strukturer). "Konsekvensen av detta tillvägagångssätt är en extremt hög andel avslag, vilket påverkar inte bara tillverkningskostnaderna utan också den keramiska industrins hållbarhet. Det är inte så förvånande att keramikindustrin är en av de mest energikrävande, och det är ansvarigt för en stor del av utsläppen av växthusgaser och föroreningar."
CERMAT2 siktar på inte mindre än en revolution, en som skulle se keramikindustrin gå bort från sina traditionella sätt att anta ett mer rationellt och vetenskapligt tillvägagångssätt. Detta tillvägagångssätt, baserad på avancerad olinjär mekanisk modellering, skulle innebära en matematisk konstitutiv modellering av keramiska material, experimentell analys, karakterisering, och numerisk simulering med finita elementmetoden. Syftet? Optimering av design genom användning av Virtual Prototyping – under vilken designen valideras i silico med hjälp av datorstödd ingenjörsmjukvara utan att använda en fysisk prototyp.
"Vi har framgångsrikt utvecklat den här metoden, och vi har nu levererat de numeriska rutinerna och mjukvaran för optimal design av keramiska material till våra industriella partners, " Prof. Piccolroaz entusiasmerar. "Detta är inte bara ett framsteg i vår kunskap om keramiska material, men också ett steg framåt i den mekaniska designen av keramik."
Till industrier som vill förändra sina sätt, Prof. Piccolroaz lovar en betydande minskning av tillverkningskostnaderna tack vare användningen av virtuella prototyper. Vidare, mjukvaruverktyg som utvecklats under projektet gör det möjligt att förutsäga de slutliga delarnas mekaniska egenskaper, vilket förväntas ha stor inverkan på minimeringen av defekter och därmed minskningen av avslag.
CERMAT2 färdigställdes i oktober 2017, men arbetet har fortsatt sedan dess. Ett av projektets mål var att utbilda en ny generation unga forskare i avancerad olinjär solidmekanik och numerisk implementering, med applikationer inom keramisk produktion. Några av dessa forskare har redan skapat en framgångsrik start-up med syfte att utöka och sprida CERMAT2-metoderna över den keramiska industrin. "Vi kommer att fortsätta samarbetet med dem för att göra vår nya teknik till den nya standarden för keramisk produktion, Prof. Piccolroaz avslutar.
