Forskare vid Linköpings universitet, LiU, har utvecklat en teoretisk modell som möjliggör simuleringar för att visa vad som händer i hårda skärande material när de bryts ned. Modellen kommer att göra det möjligt för tillverkningsindustrin att spara tid och pengar. Modellen har publicerats i den vetenskapliga tidskriften open access Material .

Titan-aluminiumnitrid är ett keramiskt material som vanligtvis används som beläggning för skärande metallverktyg. Med hjälp av en tunn film av titan-aluminiumnitrid, skäreggen på ett belagt verktyg blir hårdare, och verktygets livslängd längre. En anmärkningsvärd egenskap hos den belagda ytan är att den blir ännu hårdare under skärprocessen, ett fenomen som kallas åldershärdning.

Kostas Sarakinos, docent i materialvetenskap vid Linköpings universitet, beskriver materialet som en arbetshäst inom tillverkningsindustrin.

Legeringen är, dock, känslig för höga temperaturer. Några minuters skärning i ett riktigt hårt material utsätter skäreggen för ett så högt tryck att den värms upp till nästan 900 grader eller över. Vid temperaturer upp till 700 grader, materialet är oskadat, men det börjar brytas ned vid högre temperaturer. Kanten mjuknar och tappar skärpa.

Tills nu, ingen har kunnat avgöra vad som händer på atomnivå inuti den tunna filmen under skärningsprocessen. Det har bara varit möjligt att delvis simulera egenskaperna hos den komplexa kombinationen av titan, aluminium och kväve, och det har inte varit möjligt att dra några slutsatser av resultaten.

Georgios Almyras, som tidigare arbetat som postdoktor vid Nanoscale Engineering Division och nu har flyttat till Ericsson, Davide Sangiovanni från avdelningen för teoretisk fysik, och Kostas Sarakinos, chef för Nanoscale Engineering Division, Linköpings universitet, ägnade fyra år åt att utveckla en tillförlitlig teoretisk modell som kan användas för att visa exakt vad som händer i materialet med pikosekundtidsupplösning. De har använt den nyutvecklade modellen för att simulera händelser i materialet, visar vilka atomer som är förskjutna och vilka konsekvenser detta får för egenskaperna.

"Detta betyder också att vi kan utveckla strategier för att stoppa nedbrytningen, som att legera materialen eller skapa specialdesignade nanostrukturer, säger Davide Sangiovanni.

Deras teoretiska modell beräknar krafterna mellan atomerna i materialet. Modellen bygger på en tidigare känd metod som framgångsrikt använts i enkla materialsystem. Komplexa kombinationer av material, dock, kräver tidskrävande beräkningar som bara är möjliga i en superdator. Forskargruppen från LiU har optimerat dessa beräkningar genom att implementera maskininlärningsalgoritmer som föregångarna till artificiell intelligens.

Superdatorn vid National Supercomputer Center vid LiU har sedan använts för beräkningar av ett 40-tal legeringar av de tre grundämnena titan, aluminium och kväve, samtidigt som man tittar på flera egenskaper hos materialet. Forskarna har sedan jämfört resultaten från beräkningarna med materialens kända egenskaper.

"Avtalet är mycket bra, " säger Kostas Sarakinos. "Det är viktigt att vi har beräknat även egenskaper som vi känner, för då kan vi vara säkra på att modellens beräkningar och förutsägelser är tillförlitliga."

Forskarna hoppas att metoden kommer att vara användbar för företag inom tillverkningsindustrin, som Sandvik, ABB, Seco Tools, etc., vilket skulle kunna spara mycket pengar genom att utveckla verktyg med större hårdhet och motståndskraft mot slitage. Det är företag som LiU-forskarna har långsiktiga samarbetsavtal med.

"Vi kan nu för första gången genomföra storskaliga klassiska simuleringar av atomära strukturer i ett av de materialsystem som oftast används för metallskärning och formning. Simuleringarna kan ta hänsyn till motstånd mot värme eller nanostrukturer, och de kan ge viktig insikt i hur atomerna rör sig. Resultaten hjälper oss att undvika eller åtminstone försena, nedbrytning av materialet, säger Kostas Sarakinos.