Under historiens gång har utvecklingen av material hjälpt till att driva på människans utveckling och framsteg. Varje kliv från stenåldern till plaståldern har förändrat mänsklighetens förutsättningar och skapat både nya möjligheter och en hel del problem – inte minst vad det gäller påverkan på miljön.

Under senare tid har kraven från bland annat flyg- och fordonsindustrin förflyttat materialegenskapernas gränser till alltmer extrema nivåer. Användningen av de nya materialen ställer höga krav på företag som tillverkar skärande verktyg, exempelvis borrar. Ett företag som ställer sig i frontlinjen i utvecklingen av skärverktyg som ska klara de nya tuffa materialen är Sandvik Coromant.

Ökad användning av kompositmaterial

Materialens miljöprestanda och återvinningsbarhet har blivit allt viktigare och inom flygindustrin ökar användningen av material som minskar utsläppen till atmosfären, reducerar bränslekostnaderna och möjliggör högre hastigheter. Här har kompositmaterialen fått stort genomslag och när ett flygplan för trettio år sedan bestod av ungefär fem procent kompositmaterial består ungefär hälften av ett modernt plan av sådana material. I Dreamliner finns exempelvis kolfiberkomposit i vingarna, stjärten, dörrarna, flygplanskroppen och inredningen. Resultatet blir ett lättare plan och experterna räknar med att om man minskar ett kommersiellt flygplans vikt med ett kilo så kan driftkostnaderna sänkas med flera tusen euro per år.

Kompositmaterialen har också fått ökad användning inom bilindustrin och även här är det kombinationen av styrka och låg vikt som är av intresse i jakten på minskad bränsleförbrukning. Kompositerna är numera billiga att tillverka men processen är arbetsintensiv och kräver höga temperaturer och extremt rena miljöer. Att bearbeta sådana finkorniga material är också en stor utmaning.

”Skärande bearbetning, och då särskilt borrning, i kompositmaterial är en stor utmaning”, säger Eleanor 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.”

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. 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.

”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.”

Återvinning allt viktigare

Kompositmaterialen bidrar till minskad bränsleförbrukning och minskad klimatpåverkan. Baksidan är att materialen kan vara tillverkade med häftande bindemedel som är svåra att separera och återvinna. ”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.

Det är inte bara bilar och andra produkter som måste kunna återvinnas. Även hårdmetallverktygen kan ges ett andra liv. Sandvik Coromant har därför introducerat ett system som syftar att hålla utslitna verktyg bort från soptippar och skrotningsanläggningar. De flesta av bolagets solida hårdmetallverktyg kommer faktiskt från återvunnen hårdmetall.

Det går år 70 procent mindre energi att tillverka nya verktyg av återanvänd solid hårdmetall än att tillverka dem av helt nytt råmaterial. Tillverkning av återvunnet material innebär 40 procent lägre koldioxidutsläpp. Dessutom är återvinning nödvändig på lång sikt eftersom råvarutillgångarna är begränsade. Detta gäller exempelvis volfram som är en viktig beståndsdel i hårdmetallverktyg.

Återvinningssystemet bygger på att kunden säljer sina utslitna skär och solida verktyg till Sandvik Coromant. Kunden beställer uppsamlingskärl från bolaget som organiserar transport och återvinning.

Innovationstävling

Morgondagens ingenjörer kommer att möta utmaningar som vi inte ens kan föreställa oss idag, och lösningarna på utmaningarna kan få en dynamisk påverkan på framtidens tillverkningsindustri. Därför lanserade Sandvik Coromant en innovationstävling under 2016 ­– the Graphene Challenge – för att inspirera morgondagens ingenjörer till att utforska sin fantasi, och mer specifikt att fundera på hur grafen skulle kunna användas på ett innovativt och hållbart sätt i ett modernt hem.

Vinnaren i Sandvik Coromants innovationstävling – Nadia Ayad från Brasilien – visar att membran av grafen kan användas för rening av avloppsvatten och produktion av dricksvatten i hushållet. Illustration Sandvik Coromant.

Vinnaren i Sandvik Coromants innovationstävling – Nadia Ayad från Brasilien – visar att membran av grafen kan användas för rening av avloppsvatten och produktion av dricksvatten i hushållet. Illustration Sandvik Coromant.

Vinnaren utsågs under november 2016. Det blev en ung ingenjör från Military Institute of Engineering (Instituto Militar de Engenharia) i Rio de Janeiro i Brasilien som Nadia Ayad. Hon har föreslagit en lösning att använda grafen som ett vattenreningsfilter. Med hjälp av grafen avsaltas och filtreras vatten i hushållet, något som både bidrar till ökat återanvändning av vatten och minskad energiförbrukning.

”Tidigare gjorde kostnaden för grafen att det blev alltför dyrt att använda materialet i tillämpningar i ett hem. Nya produktionsmetoder har förändrat kostnadsbilden dramatiskt och det gjorde att jag fick idén om en avsaltningsanläggning”, berättar Nadia Ayad.

”Jag läste om forskare vid Universitet i Manchester som visat att membran av grafenoxid fungerar mycket snabbt och precist som molekylfilter för föroreningar och salter i vatten. Jag tänker mig att man kan använda regnvatten eller vatten från diskmaskinen för att göra dricksvatten. Hushåll som ligger nära havet skulle faktiskt avsalta filtrera havsvatten till dricksvatten”, konstaterar Nadia.

Läs mer om det vinnande förslaget på www.sandvik.coromant.com.

Artikeln uppdaterades i november 2016.