Nye materialer i danske industrivirksomheder
1. Resumé
Danske produktionsvirksomheder har konstant fokus på at blive mere effektive og omstillingsparate for at kunne konkurrere i et globalt marked, hvor det generelle høje omkostningsniveau nødvendiggør fokus på højværdi produkter i den danske metalindustri. Allerede nu fokuserer mange – især små og mellemstore virksomheder – på højkvalitetsprodukter i forskellige mate-rialer og fleksibilitet som en vigtig konkurrenceparameter i et marked præget af mindre serier af stadigt flere produkttyper. Hurtig omstilling til nye produktspecifikationer er derfor af højeste vigtighed. En stærk og højproduktiv metalindustri er afgørende for Danmarks velstand, og der er behov for et vedblivende fokus på at sikre innovative samarbejder mellem vidensinstitutionernes forskere og industrivirksomhedernes smede, industriteknikere og ingeniører.
2. Samfundsudfordringer og/eller muligheder
Særligt små og mellemstore metal- og maskinindustrivirksomheder konkurrerer globalt på specialisering, omstillingsevne og kvalitet. De fleste metalprodukter produceres ved mekanisk formgivning. Metaller er som materialegruppe særligt udfordrende, da de ændrer egenskaber under denne proces. For at sikre en fortsat stærk dansk metalindustri er det nødvendigt at styrke virksomhedernes omstillingsevne og muligheder for at være i front mht. til anvendelsen af nye materialer.
En effektiv metode til at forkorte vejen fra produktspecifikationer til færdigt produkt er at benytte computersimuleringer i designfasen for at finde den optimale kombination af materiale og produktionsproces. Derved spares meget tidskrævende og dyre praktiske forsøgsserier. Det er samtidig en meget direkte måde at nyttiggøre de nyeste forskningsresultater inden for mate-rialer til de industriteknikere og smede, som står for den faktiske produktion og værdiskabelse.
Den største barriere, der skal overvindes, for at realisere dette, er behovet for bedre materialemodeller i det kommercielle processimuleringssoftware. Der foreslås en fokuseret forskningsindsats forankret i dette behov, men som også omfatter fremstilling samt indarbejdelse af de nye materialemodeller i processimuleringer. Danmark har stærke forskningsmiljøer inden for disse områder, men mangler et fælles fokus på den industrielle udnyttelse. En større dansk indsats giver desuden en unik mulighed for at høste akademisk forskning fra det store forskningsprogram ”Materials Genome Initiative” i USA og konkret nyttiggøre den i en dansk sammenhæng før danske industrivirksomheders konkurrenter i udlandet. Mange produktionsvirksomheder har brug for at kunne benytte flere materi-aleleverandører af hensyn til leverancesikkerhed og prisoptimering. Selv mindre udsving i det leverede materiales egenskaber til en ellers stabil produktion af store serier af det samme produkt kan kræve justeringer i produktionsprocessen og dermed potentielle forsinkelser og produktionstab.
Computersimulering af et materiales opførsel under produktionsprocessen er både hurtigere og billigere end praktiske forsøgsserier, som kræver ofte uforholdsmæssigt dyre indkøb af mindre mængder af de forskellige materia-letyper under overvejelse og samtidigt optager produktionsudstyr, som derfor midlertidigt må tages ud af egentlig produktionen. Simuleringer kan identificere kritiske egenskaber for materialet og de mest følsomme stadier i processen. Denne viden kan anvendes til at anvise ændringer i enten materiale eller procesparametre, og derved markant reducere behovet for praktiske tests. En større anvendelse af sådanne materiale- og processimuleringer vil derfor kunne forkorte vejen til det optimerede færdige produkt. Processimuleringer benyttes allerede i dag i et vist omfang, men de materialemodeller, der anvendes i kommercielt simuleringssoftware, er som oftest primitive og af empirisk karakter. En bedre forståelse af materialets opførsel under produktionsprocessen vil give mulighed for at designe processer, der går lige til grænsen for både produktionsapparatets og materialets formåen. Hvis de avancerede materialemodeller indbygges i brugervenlige materiale- og processimulerings metoder, vil de hurtigt og effektivt nyttiggøre forskningsresultaterne i en form, som kan anvendes af de smede, der står med den daglige produktion i de danske virksomheder. Vejen fra forsker til smed bliver derved markant kortere, og ny viden omsættes hurtigere til reel værdiskabelse.
3. Forskningsbehov
I modsætning til andre materialerelaterede forskningsprojekter, som f.eks. aktiviteterne hos European Spallation Source (ESS), der er drevet af opbyg-ning af et kostbart og eksplorativt grundforskningsinstrument, er forsk-ningsbehovet her udelukkende drevet af dansk metalindustris konkrete be-hov for hurtigere og kontinuerlig omstilling til nye materialer i den aktuelle globale konkurrence.
De fleste metalprodukter fremstilles ved mekanisk formgivning. Dette er f.eks. tilfældet for omkring 90 pct. af alle produkter af stål(*1) og ca. 70 pct. af aluminium(*2) - resten er primært støbningsprocesser. Metaller er en særligt udfordrende materialegruppe, da de ændrer deres egenskaber undervejs i en formgivningsproces, og deres egenskaber afhænger voldsomt af formgivningsprocessens karakter. De materialemodeller, man har i dag, bygger i høj grad på eksperimentel identifikation af nogle få materialeparametre, som indbygget i en simpel matematisk formel giver en tilnærmet beskrivelse af en idealiseret formgivningsproces. Disse modeller er overvejende empiriske og dækker ikke den reelle kompleksitet i metallers egenskaber.
Et konkret problem er, at de eksisterende modeller ikke kan forudsige ændringerne i metallers opførsel ved skift mellem formgivningsmetoder, f.eks. dybtrækning af en tidligere valset plade, som er en meget almindelig procesrækkefølge. Som en direkte konsekvens af dette fejlestimerer processimuleringer ofte formbarheden med præmature materialebrud til følge under formgivningsprocessen. Andre konkrete problemer med rod i utilstrækkelige materialemodeller er manglende overholdelse af slutdimensioner og overskridelse af sikkerhedsmarginer for produktets anvendelse, f.eks. i form af manglende restformbarhed eller brudstyrke. En mere korrekt forudsigelse af metallers styrke kan endvidere forhindre generel overdimensionering af godstykkelser ud fra et fordyrende forsigtighedsprincip. Overdimensionering giver et unødigt højt materialeforbrug, men også tungere konstruktioner, hvilket bl.a. inden for transportsektoren direkte øger både energiforbrug og CO2-emmision.
Der er derfor behov for forskning i grundlæggende materialemodeller, der effektivt fanger ændringerne i metallets egenskaber undervejs i formgiv-ningsprocessen, f.eks. ved at bygge direkte på en forståelse af de mekanis-mer i metallet, som ændrer dets egenskaber. Denne grundlæggende viden er også en forudsætning for en fokuseret udvikling af nye materialetyper med forbedrede egenskaber. Der bør oprettes et center til at sikre en målretning af indsatsen hele vejen fra den grundlæggende materialeforskning til smedens og ingeniørens anvendelse i industrien. Et sådan center skal bygge bro mellem universiteter og øvrige vidensinstitu-tioner og aftagerne i de danske virksomheder med det vigtigste formål at få de nye materialer og metoder hurtigere helt ud til de små og mellemstore virksomheder.
4. Forhold vedrørende udmøntning og implementering af forsknings-indsatsen
Nøglen til at bevare forskningsindsatsens fokus på bedre industriel udnyttel-se og nyudvikling af materialer til metalformgivning er, at tyngden i center-strukturen ligger på materialemodellering. Bedre materialemodeller er den vigtigste forudsætning for bedre processimuleringssoftware, som er det gen-nemgående værktøj, der skal bringe forskningsresultaterne ud i de danske virksomheders faktiske produktion. Materialemodellering kan dog ikke stå alene, men skal ledsages af materialekarakterisering for at opbygge realisti-ske modeller. Samtidigt giver modelforudsigelser mulighed for en fortsat udvikling af nye avancerede materialer. Endelig bør et center omfatte en forskningsindsats inden for processimulering for at sikre en effektiv integra-tion af de avancerede, men typisk mere beregningstunge, materialemodeller i processimuleringsværktøjer.
Forslaget er derfor at organisere et center, der hviler på tre søjler, der alle er del af værdikæden fra forsker til smed: 1) Materialemodellering, 2) Materialefremstilling og -karakterisering og 3) Processimulering.
5. Danske forudsætninger
Det foreslås at trække på de eksisterende erfaringer; ikke mindst hos de af landets GTS-institutter, som har beskæftiget sig med materialer.
6. Mål, effekt og perspektiver
Forskningen kan forbedre danske industrivirksomheders konkurrenceevne og dermed forbedre dansk vækst, eksport og økonomi. I 2013 eksporterede den danske maskin- og metalindustri for i alt 120 mia. kr. Over halvdelen bestod af upmarket produkter(*3). Det vil sige produkter, som sælges dyrere end tilsvarende produkter fra andre lande. Beløbsmæssigt overstiger denne upmarket eksport markant f.eks. medicinal og elektronik-industrien på hver ca. 37 mia. kr. Metal og maskinindustriens værdi for Danmark er ikke åbenlyst synlig i den nuværende forskningsprioritering. Årsagen til denne værdi skal sandsynligvis findes i danske metalvirksomhe-ders specialisering og høje produktkvalitet. Fortsat styrkelse af både fleksi-biliteten og produktkvaliteten i dansk metalindustri må derfor forventes at være nøglen til fortsat opretholdelse og udvidelse af eksporten efterhånden som de nuværende formgivningsteknologier udbredes globalt til lav om-kostnings lande med stadig større hast.
For at Danmark fortsat kan være konkurrencedygtig, er der brug for konti-nuert og hurtigere indførelse af nye materialer i produktionen, hvilket typisk også stiller nye krav til produktionsprocessen. Det er derfor også vigtigt at kunne anvende det eksisterende produktionsudstyr optimalt og i længst mu-lig tid – både i forhold til nye avancerede materialetyper og for at udnytte mere konventionelle materialer til det yderste. Optimering af produktions-processer i forhold til forskellige materialer kan også forøge anvendelighe-den af produktionsudstyret og dermed dets levetid med besparelser til følge.
7. Kontaktperson
Rasmus Stoklund Holm-Nielsen Erhvervspolitisk chef Dansk Metal T: 50 74 41 85 E: rshn@danskmetal.dk
8. Forslagets prioritering
Nr. 3
*1 Cambridge Engineering Selector 2016, Granta Design
*2 The Metrics of Material and Metal Ecology: Harmonizing the ressource, technology and environmental cycles, Elsevier, 2005
*3 Dansk upmarket eksport, analyse udarbejdet af Damvad for Landbrug&Fødevarer og Dansk Metal, 2014s