En længe ventet modernisering af keramiske produktionsmetoder

Tusinder af år efter den keramiske produktion blev opfundet, en ny løsning er endelig blevet udviklet, med en høj potentiel indvirkning på produktionsomkostningerne, procentdel af afslag og overordnet industribæredygtighed.

Keramik var et af de første materialer, vores forfædre mestrede og forvandlede til keramiske fliser, keramik og lersten. Med al denne akkumulerede knowhow – de første menneske- og dyrefigurer lavet af ler dukkede op omkring 24000 f.Kr. – kunne man blive tilgivet for at tro, at nuværende keramikproducenter bruger velsmurte processer med minimale eller ingen tab eller defekter.

Sandheden er, vi er langt derfra. I stedet for at forbedre sig med tid og erfaring, måden keramik fremstilles på har ikke ændret sig meget. De opnås stadig ved en proces kaldet formning - hvor uorganiske pulvere, med eller uden vand, formes til det ønskede produkt – efterfulgt af brænding ved høj temperatur, typisk over 1 000 °C.

"Begge trin er afgørende for de mekaniske egenskaber og kvaliteten af ​​det endelige produkt, men selv i dag, den keramiske bearbejdning og design er i det væsentlige baseret på trial-and-error, " siger prof. Andrea Piccolroaz, koordinator for CERMAT2-projektet (Nye keramiske teknologier og nye multifunktionelle keramiske enheder og strukturer). "Konsekvensen af ​​denne tilgang er en ekstrem høj andel af afslag, som ikke kun har indflydelse på fremstillingsomkostningerne, men også på den keramiske industris bæredygtighed. Det er ikke så overraskende, at keramikindustrien er en af ​​de mest energikrævende, og det er ansvarligt for en stor del af udledningen af ​​drivhusgasser og forurenende stoffer."

CERMAT2 sigter mod intet mindre end en revolution, en, der ville se keramikindustrien bevæge sig væk fra dens traditionelle måder at anlægge en mere rationel og videnskabelig tilgang. Denne tilgang, baseret på avanceret ikke-lineær mekanisk modellering, ville involvere en matematisk konstitutiv modellering af keramiske materialer, eksperimentel analyse, karakterisering, og numerisk simulering med finite element-metoden. Formålet? Optimering af design ved brug af Virtual Prototyping – hvorved designet valideres i silico ved hjælp af computerstøttet ingeniørsoftware uden brug af en fysisk prototype.

"Vi har med succes udviklet denne metode, og vi har nu leveret de numeriske rutiner og software til det optimale design af keramiske materialer til vores industrielle partnere, " Prof. Piccolroaz begejstret. "Dette er ikke kun et fremskridt i vores viden om keramiske materialer, men også et skridt fremad i det mekaniske design af keramik."

Til industrier, der ønsker at ændre deres måder, Prof. Piccolroaz lover en betydelig reduktion i produktionsomkostningerne takket være brugen af ​​virtuel prototyping. Desuden, softwareværktøjer udviklet under projektet vil gøre det muligt at forudsige de mekaniske egenskaber af de endelige stykker, hvilket forventes at have stor betydning for minimering af fejl og dermed reduktion af afslag.

CERMAT2 blev afsluttet i oktober 2017, men arbejdet er fortsat siden da. Et af projektets mål var at træne en ny generation af unge forskere i avanceret ikke-lineær solid mekanik og numerisk implementering, med applikationer i keramisk produktion. Nogle af disse forskere har allerede skabt en succesfuld start-up med det formål at udvide og sprede CERMAT2-metoderne på tværs af den keramiske industri. "Vi vil fortsætte samarbejdet med dem for at gøre vores nye teknologi til den nye standard for keramisk produktion, " konkluderer prof. Piccolroaz.