Lager blyfrie materialer til ultralyd

Hva har ultralydbildet av en kommende verdensborger, ekkoloddet til fiskeren, turbodieselmotoren i naboens bil og fødselsdagskortet med innlagt musikk felles?

Alle trenger piezoelektriske materialer med bly i for å virke.

Piezoelektriske materialer er materialer som endrer form når de blir utsatt for et elektrisk felt – og motsatt: De skaper elektrisk ladning når de utsettes for trykk.

Bruken av bly øker

 – Vi ønsker å redusere bruken av bly i samfunnet. Men i dag gjør flere ultralyd-baserte «dingser» og annen bruk av piezo-teknologi, at bruken øker, sier Henrik Ræder.

Han er senior forretningsutvikler hos SINTEF Industri. Sammen med forsker Per Martin Rørvik arbeider han for å finne nye materialer som kan erstatte bly i piezoelektriske komponenter.

• 20. mars arrangerer SINTEF et åpent seminar i Oslo om de nye blyfrie materialene og status for reguleringene på området. Påmeldingsfristen er 29. februar.

Saken fortsetter under bildet.

Per Martin Rørvik forsøker å finne det beste alternativet til blyholdig PZT – her med et keramisk materiale basert på vismut-, natrium- og titanoksid. Foto: Georg Mathisen VIS MER

Bly er giftig. Kommer det på avveie, er det lite som skal til før det gir helseskader. Rørvik og Ræder understreker at det er trygt å bruke komponenter som inneholder bly. Faren ligger i utvinningen, produksjonen og i hvordan avfall håndteres.

 – På mange områder er bly faset ut. I maling, i bensin, i loddetinn, i katodestrålerør som ble brukt i gamle TV-apparater, ramser Per Martin Rørvik opp. Så langt har blyet blitt faset ut både fordi det er funnet andre materialer og teknologier og fordi bly er blitt forbudt.

Kan bli ulovlig

 – Piezoelektriske komponenter med bly er fortsatt lovlige å produsere. Men det må jevnlig søkes om ny tillatelse. Den dagen EU bestemmer at «nå er det gode nok alternativer», så kan de forby de blyholdige materialene, forklarer Rørvik. Det kan gi store konsekvenser for bedrifter som lever av produkter eller tjenester som bruker piezo-teknologi.

De fleste av de piezoelektriske komponentene bruker et keramisk materiale som heter PZT. P-en står for bly (som har kjemisk symbol Pb), Z-en for zirkonium og T-en for titan. SINTEF-forskerne arbeider med andre keramiske materialer som skal erstatte nettopp PZT. Det bør de helst få til i god tid før det blir forbudt:

 – Det er en ganske stor overgang for de bedriftene som bruker PZT, å gå over til nytt materiale. For komplekse ting kan det være snakk om flere arbeidsår for å tilpasse komponentene de lager til et nytt materiale. De blyfrie materialene vil ha litt andre egenskaper – for eksempel en annen lydhastighet og en annen tetthet – så dingsene må redesignes, sier Per Martin Rørvik.

Et konkurransefortrinn å være tidlig ute

Han forteller at bedrifter flest er tilbakeholdne foreløpig.

– De har noe som fungerer og som de vet hvordan de skal bruke. De ønsker ikke å bruke for mye tid og ressurser på et forbud som de ikke vet om kommer eller når kommer. Men det er viktig å være klar over at det kan komme, og det kan komme fortere enn de tror, advarer han.

 Å være først ute med blyfrie produkter kan også være et konkurransefortrinn. Det gjelder mange produkter. Ultralyd og akustikk er et viktig område. PZT brukes når familiens neste medlem skal fotograferes i mors mage. Det brukes i sonarer og til kommunikasjon under vann. Til lyd i mikrofoner og høyttalere. Til dieselinnsprøyting i bilmotorer og til rygge- og avstandssensorer. Til å kontrollere sprekker i broer og bygninger.

Leter etter de beste alternativene

Han arbeider med en rekke forskjellige materialer for å finne ut hva som kan brukes i stedet for PZT.

– For eksempel et keramisk materiale basert på vismut-, natrium- og titanoksid. Et annet vi jobber med, inneholder kalium-, natrium- og nioboksid. Vi arbeider med bariumbaserte materialer også – barium-titanoksid, forteller han.

 Det er ikke enkelt å finne de beste løsningene:

 – Det har vist seg at niob også kan være skadelig under utvinningen av råstoffet. Selv om materialene er mindre giftige for oss, så er det ikke sikkert de er like bra i et livssyklusperspektiv. Du må se helt fra produksjonen av råstoffene og til det havner i resirkuleringsanlegget eller på søppeldynga.

3D-printer materialer

 På noen områder har SINTEF og partnerne funnet materialer som kan være like bra som de blyholdige.

– Fordelen med PZT er at det kan brukes i veldig mye. Hvis vi skal erstatte det, må vi gjerne spesialdesigne materialet til hver anvendelse, sier Rørvik og Ræder.

SINTEF har to partnere i prosjektet: trondheimsselskapet Cerpotech og belgiske Cerhum. Det norske selskapet lager oksidpulveret som er utgangsmaterialet for de piezoelektriske materialene. Cerhum 3D-printer materialene. Det gjør at de kan leveres i andre fasonger enn det som er vanlig i dag, noe som også gir nye muligheter for bruken.

 – Blyfrie alternativer er viktig, og for Cerpotech var det viktig da selskapet ble startet i 2007, sier daglig leder Anne Dalager Dyrli. Firmaet har ett patent og én patentsøknad som går på å fremstille denne typen materialer med sin egen produksjonsteknikk.

Tungt å komme inn i markedet

– Bransjen er veldig konservativ. Det finnes direktiver for bruk av blyholdige materialer i EU, men frem til nå får industrien og bedriftene unntak. PZT har vært brukt så mange år, og hele verdikjeden og produktene er utviklet etter det, så det er veldig tungt å komme inn med nye materialer som krever en del utvikling for at du skal komme i mål med et sluttprodukt, sier Dyrli.

Cerpotech er med i flere prosjekter for å komme videre. Mest kontakt er det med bilbransjen, som hun samtidig regner som den mest konservative av bransjene.

 – Derfor bør vi jobbe mot andre der produktene skal brukes i kroppen eller der hvor det er bruk-og-kast-produkter. Der er det enda viktigere å unngå bly, sier hun. – For å få frem resultater på funksjonalitet og egenskaper, der trenger vi SINTEF. Vi er veldig tidlig i verdikjeden og langt fra sluttbruker. For oss er det viktig å få frem at dette kan benyttes kommersielt, sier Anne Dalager Dyrli.

I den vitenskapelige litteraturen finnes det veldig mye om mulige nye sammensetninger, forteller de to forskerne. Det vanskelige er å finne ut hva som er best å bruke i praksis. Det er lett å gå seg vill i forskningen. – Vi er opptatt av å få til noe som fungerer, sier Rørvik.

Viktig i ny teknologi

Piezoelektriske materialer vil finne nye, store anvendelser innen droneteknologi, selvstyrte roboter og sensornettverk, spår han. Små, lette piezo-motorer kan brukes til å håndtere og manipulere mekaniske innretninger som for eksempel gripearmer og «insektbein». Teknologien kan brukes til å lage drivmekanismen for vingene til fluelignende mikrodroner.

 Ryggesensorene på dagens biler er piezoelektriske og første generasjon av fremtidens avanserte sensorer for å kartlegge omgivelsene i sanntid. – Det er viktig å unngå farlige stoffer når nye masseprodukter introduseres, poengterer Per Martin Rørvik.