Ricercatori dell'Università di Linköping, LiU, hanno sviluppato un modello teorico che consente simulazioni per mostrare cosa succede nei materiali da taglio duri mentre si degradano. Il modello consentirà alle industrie manifatturiere di risparmiare tempo e denaro. Il modello è stato pubblicato sulla rivista scientifica ad accesso aperto Materiali .

Il nitruro di titanio-alluminio è un materiale ceramico comunemente usato come rivestimento per utensili da taglio in metallo. Con l'ausilio di un film sottile di nitruro di titanio-alluminio, il tagliente di un utensile rivestito diventa più duro, e la durata dell'utensile più lunga. Una caratteristica notevole della superficie rivestita è che diventa ancora più dura durante il processo di taglio, un fenomeno noto come indurimento per invecchiamento.

Kostas Sarakinos, professore associato in scienza dei materiali presso l'Università di Linköping, descrive il materiale come un cavallo di battaglia nell'industria manifatturiera.

La lega è, però, sensibile alle alte temperature. Pochi minuti di operazione di taglio in un materiale veramente duro sottopongono il tagliente a una pressione così elevata da riscaldarlo fino a quasi 900 gradi o più. A temperature fino a 700 gradi, il materiale è illeso, ma inizia a degradarsi a temperature più elevate. Il bordo si ammorbidisce e perde nitidezza.

Fino ad ora, nessuno è stato in grado di determinare cosa accade a livello atomico all'interno del film sottile durante il processo di taglio. È stato possibile simulare solo parzialmente le proprietà della complessa combinazione di titanio, alluminio e azoto, e non è stato possibile trarre alcuna conclusione dai risultati.

Georgios Almyras, che in precedenza ha lavorato come ricercatore post-dottorato presso la Nanoscale Engineering Division e ora si è trasferito in Ericsson, Davide Sangiovanni della Divisione di Fisica Teorica, e Kostas Sarakinos, capo della Divisione Ingegneria Nanoscale, Università di Linköping, ha trascorso quattro anni a sviluppare un modello teorico affidabile che può essere utilizzato per mostrare esattamente cosa accade nel materiale con una risoluzione temporale di picosecondi. Hanno utilizzato il modello appena sviluppato per simulare eventi nel materiale, mostrando quali atomi sono spostati e le conseguenze che questo ha per le proprietà.

"Ciò significa anche che possiamo sviluppare strategie per fermare il degrado, come legare i materiali o creare nanostrutture appositamente progettate, "dice Davide Sangiovanni.

Il loro modello teorico calcola le forze tra gli atomi nel materiale. Il modello si basa su un metodo precedentemente noto che è stato utilizzato con successo in sistemi di materiali semplici. Combinazioni complesse di materiali, però, richiedono calcoli dispendiosi in termini di tempo che sono possibili solo in un supercomputer. Il gruppo di ricerca di LiU ha ottimizzato questi calcoli implementando algoritmi di apprendimento automatico che sono i predecessori dell'intelligenza artificiale.

Il supercomputer del National Supercomputer Center di LiU è stato poi utilizzato per il calcolo di circa 40 leghe dei tre elementi titanio, alluminio e azoto, osservando diverse proprietà del materiale. Gli scienziati hanno quindi confrontato i risultati dei calcoli con le proprietà note dei materiali.

"L'accordo è molto buono, " dice Kostas Sarakinos. "È importante che abbiamo calcolato anche le proprietà che conosciamo, perché allora possiamo essere sicuri che i calcoli e le previsioni del modello siano affidabili".

I ricercatori sperano che il metodo sarà utile per le aziende del settore manifatturiero, come Sandvik, ABB, Strumenti Seco, eccetera., che potrebbe far risparmiare molti soldi sviluppando utensili con maggiore durezza e resistenza all'usura. Si tratta di aziende con le quali i ricercatori LiU hanno accordi di collaborazione a lungo termine.

"Possiamo ora per la prima volta effettuare simulazioni classiche su larga scala di strutture atomiche in uno dei sistemi di materiali più comunemente usati per il taglio e la formatura dei metalli. Le simulazioni possono considerare la resistenza al calore o le nanostrutture, e possono fornire importanti informazioni su come si muovono gli atomi. I risultati ci aiuteranno a evitare, o almeno ritardare, degradazione del materiale, "dice Kostas Sarakinos.