Den nya teknologin gör det möjligt att väva fram olika material och produkter med goda egenskaper i tre dimensioner, säger Stefan Hallström, som håller några exempel på detta i sina händer.

VÄVD KOLFIBER
3D-profiler för ny tidsålder

Intresset för lätta kompositmaterial ökar. Kraven på exempelvis lättare och bränslesnåla bilar gör det nödvändigt att använda lätta kompositmaterial, bland annat för att ersätta plåt.
På Kungliga Tekniska Högskolan, KTH, avdelningen för lättkonstruktion, medverkar man t ex i utvecklingen av en ny teknologi för 3D-vävning av kolfiber.

Stefan Hallström, lektor vid avdelningen för lättkonstruktioner vid KTH, berättar att de samarbetar med Dr Nandan Khokar, en välkänd forskare inom området med Chalmers som bas, som utvecklat maskiner och teknologier för 3D-vävning av kolfiber.
För drygt sju år sedan besökte Nandan Khokar institutionen och visade en vävd provbit som han gjorde på en förhållandevis primitiv maskin och frågade om det gick att göra en komposit av det.
Så småningom ledde samarbetet till att KTH och Biteam, som äger och marknadsför vävtekniken, tillsammans medverkade i det EU-finansierade projektet MOJO (Modular Joints for Composite Aircraft Components ). MOJO pågick under fyra år och innebar att man kunde bygga en första automatiserad vävstol för 3D-vävning. Institutionens uppgift var att parallellt med utvecklingen av maskinen ta fram metoder för att simulera egenskaperna hos materialen för att kunna styra egenskaperna hos de färdiga profilerna.

Nytt projekt stort intresse
För närvarande fortsätter utvecklingsarbetet inom ramen för ett nytt EU-projekt, CERFAC (Cost-Effective Reinforcements of Fastener Areas in Composites), som ska avslutas om cirka 2,5 år. Målet är att få fram speciella balkprofiler samt att utveckla metoder för att analysera och dimensionera profilerna.
Den nya metoden att väva i tre dimensioner, direkt från en kolfibertråd, ägs och marknadsförs alltså av företaget Biteam AB, som bildats av Nandan Khokar och entreprenören Fredrik Winberg.
Biteam får förfrågningar från flera olika håll om provbitar, så man vet att många tittar på den här lösningen. Kunskaperna om kompositmaterial ökar, de stora tillverkande industrierna vet att kompositmaterial fungerar. De stora utmaningar som återstår är att få en ökad produktionstakt och något lägre produktionskostnader.

Material med stor styrka
I ett vanligt kompositmaterial ligger fibrerna, ungefär som i plywood, i olika riktningar, men i samma plan. På samma sätt som i plywooden är styvheten och hållfastheten ut ur planet inte alltid tillfredsställande.
Med 3D-vävning dras trådarna i alla riktningar och detta resulterar i att profilen får styrka och styvhet i alla riktningar. Sågar man igenom ett tvärsnitt, så kan man se förbindelse mellan fibrer som går genom tvärsnittet både vertikalt och horisontellt.
– Resultatet är en profil som binds ihop väldigt väl och har bra lastegenskaper, förklarar Stefan Hallström.
Man skulle kunna jämföra 3D-vävningen med symaskiner. De första symaskinerna utvecklades för ca 200 år sedan. Dagens moderna symaskiner kan däremot sy avancerade mönster och automatiskt ställa in bästa söm, stygnbredd och hastighet.
– Vi började för fem-sex år sedan och då byggde vi den första ”symaskinen” som var den första i sitt slag som gör något som ingen har gjort tidigare. Det är en del av förklaringen till att utvecklingen tar tid. På vägen måste vi lära oss hur processen ska göras på det bästa sättet, utveckla tillverkningsteknologin samt beräkna, testa och även hitta användningsområden för det nya materialet, säger Stefan Hallström.

En helt ny lösning
Man ska också ha i åtanke att det finns en stor principiell skillnad mellan innovation och produktutveckling.
– Håller man på med produktutveckling så har man ofta redan en kund. De som tillverkar eller använder produkten kan enkelt byta ut den gamla produkten mot den nya. Interfacet är likadant och den viktigaste skillnaden är att den nya produkten gör samma sak fast förhoppningsvis bättre, billigare eller snabbare.
– Men innovation, som till exempel 3D-vävning, är något helt annat. Då kommer man med en helt ny lösning som måste anpassas till andra system, till en viss produktionstyp och användning. Allt detta gör att innovationen blir en mycket större utmaning att marknadsföra. I synnerhet som det handlar om ett nytt material och en ny materialklass, menar Stefan Hallström.

Ytterligare en utamning
Att industrier har investerat miljarder i traditionella produktionsanläggningar är en annan utmaning som också innebär att det tar tid och gör det svårt att snabbt växla spår.
– Så även om utvecklingspotentialen för det nya materialet är enorm så krävs det tålamod och mycket utvecklingskapital för att kunna etablera den nya teknologin, påpekar Stefan Hallström och tillägger.
– Vi tror inte på ett snabbt genombrott för 3D-vävd kolfiber exempelvis inom flygplansindustri, även om det nya materialet just där skulle passa väldigt bra. En anledning är att det inom flyget finns höga krav på certifiering, kvalitetssäkring och spårbarhet vilket gör att det innan ett nytt material kan tas i bruk brukar ta 10-15 år. Det finns däremot andra industrier, t ex inom sport och racing, som är snabbfotade och mer benägna att testa och implementera nya teknologier.

Enormt förädlingssteg
Men med den nya teknologin kan man väva fram olika profiler och balkar i önskad längd.
– Vi utgår från en tråd som successivt vävs till en profil i ett enda produktionssteg. Man eliminerar fogar, efterskärning, materialspill, lim och mycket manuellt arbete, förädlingssteget är enormt jämfört med konventionella fiberarmeringar.
– När vi väver exempelvis en I-balk (en balk vars profil liknar ett I), så får balken olika egenskaper på olika ställen, egenskaper som vi kan styra i tillverkningsprocessen.
För den här typen av 3D-vävda strukturer finns det emellertid än så länge få beräkningsmodeller framtagna.
– Det gör att vi måste fortsätta utveckla datormodeller för att kunna simulera de nya materialens mekaniska egenskaper. I någon bemärkelse erbjuder teknologin fler möjligheter än vi orkar ta hand om, konstaterar Stefan Hallström, men det är ju ett angenämt problem.