Onderzoekers van de Universiteit van Linköping, LiU, hebben een theoretisch model ontwikkeld dat simulaties mogelijk maakt om te laten zien wat er gebeurt in harde snijmaterialen als ze degraderen. Het model zal de maakindustrie in staat stellen om tijd en geld te besparen. Het model is gepubliceerd in het open access wetenschappelijke tijdschrift Materialen .

Titanium-aluminiumnitride is een keramisch materiaal dat gewoonlijk wordt gebruikt als coating voor metalen snijgereedschappen. Met behulp van een dunne film van titanium-aluminiumnitride, de snijkant van een gecoat gereedschap wordt harder, en de levensduur van het gereedschap langer. Een opvallend kenmerk van het gecoate oppervlak is dat het tijdens het snijproces nog harder wordt, een fenomeen dat bekend staat als ouderdomsverharding.

Kostas Sarakinos, universitair hoofddocent materiaalkunde aan de Universiteit van Linköping, beschrijft het materiaal als een werkpaard in de maakindustrie.

De legering is, echter, gevoelig voor hoge temperaturen. Een paar minuten snijden in een echt hard materiaal onderwerpt de snijkant aan zo'n hoge druk dat deze wordt verwarmd tot bijna 900 graden of hoger. Bij temperaturen tot 700 graden, het materiaal is ongedeerd, maar het begint te degraderen bij hogere temperaturen. De rand wordt zachter en verliest scherpte.

Tot nu, niemand heeft kunnen bepalen wat er op atomair niveau in de dunne film gebeurt tijdens het snijproces. Het is slechts gedeeltelijk mogelijk geweest om de eigenschappen van de complexe combinatie van titanium, aluminium en stikstof, en het was niet mogelijk om conclusies te trekken uit de resultaten.

Georgios Almyras, die eerder als postdoctoraal onderzoeker werkte bij de Nanoscale Engineering Division en nu is verhuisd naar Ericsson, Davide Sangiovanni van de afdeling theoretische fysica, en Kostas Sarakinos, hoofd van de afdeling Nanoscale Engineering, Linköping Universiteit, besteedde vier jaar aan het ontwikkelen van een betrouwbaar theoretisch model dat kan worden gebruikt om precies te laten zien wat er in het materiaal gebeurt met picoseconde tijdresolutie. Ze hebben het nieuw ontwikkelde model gebruikt om gebeurtenissen in het materiaal te simuleren, laten zien welke atomen zijn verplaatst en welke gevolgen dit heeft voor de eigenschappen.

"Dit betekent ook dat we strategieën kunnen ontwikkelen om de degradatie te stoppen, zoals het legeren van de materialen of het creëren van speciaal ontworpen nanostructuren, ", zegt Davide Sangiovanni.

Hun theoretisch model berekent de krachten tussen de atomen in het materiaal. Het model is gebaseerd op een eerder bekende methode die met succes is toegepast in eenvoudige materiaalsystemen. Complexe combinaties van materialen, echter, vereisen tijdrovende berekeningen die alleen mogelijk zijn in een supercomputer. De onderzoeksgroep van LiU heeft deze berekeningen geoptimaliseerd door machine learning-algoritmen te implementeren die de voorlopers van kunstmatige intelligentie zijn.

De supercomputer in het National Supercomputer Center in LiU is vervolgens gebruikt voor berekeningen van ongeveer 40 legeringen van de drie elementen titanium, aluminium en stikstof, terwijl we kijken naar verschillende eigenschappen van het materiaal. De wetenschappers hebben vervolgens de resultaten van de berekeningen vergeleken met de bekende eigenschappen van de materialen.

"De overeenkomst is heel goed, " zegt Kostas Sarakinos. "Het is belangrijk dat we ook eigenschappen hebben berekend die we kennen, want dan weten we zeker dat de berekeningen en voorspellingen van het model betrouwbaar zijn."

De onderzoekers hopen dat de methode bruikbaar zal zijn voor bedrijven in de maakindustrie, zoals Sandvik, ABB, Seco-gereedschappen, enzovoort., wat veel geld zou kunnen besparen door gereedschappen te ontwikkelen met een grotere hardheid en slijtvastheid. Dit zijn bedrijven waarmee de LiU-onderzoekers langdurige samenwerkingsovereenkomsten hebben.

"We kunnen nu voor het eerst grootschalige klassieke simulaties van atomaire structuren uitvoeren in een van de materiaalsystemen die het meest worden gebruikt voor het snijden en vormen van metaal. De simulaties kunnen weerstand tegen hitte of nanostructuren in overweging nemen, en ze kunnen belangrijk inzicht verschaffen in hoe de atomen bewegen. De resultaten zullen ons helpen voorkomen, of op zijn minst vertraging, degradatie van het materiaal, ', zegt Kostas Sarakinos.