Emballagevirksomheden Tetra Pak bliver nabo til to af verdens mest avancerede anlæg til materialeforskning. Samarbejde over Øresund klæder den skånske virksomhed på til at udnytte anlæggene.
40.000 mælkekartoner i timen. Så mange emballager kan en enkelt maskine i produktionshallen hos Tetra Pak spytte ud. Hver emballage tager altså i underkanten af en tiendedel sekund at fremstille!
”Det kan kun lade sig gøre ved at have godt styr på sine materialer og på de forandringer, som de undergår ved forarbejdningen. Det er det, der gør røntgenteknologi til et naturligt værktøj for os,” siger Christel Andersson, der er udviklingsingeniør i Lund-virksomhedens afdeling for materialeudvikling.
De færreste af os tænker på, at vi holder et avanceret sandwichmateriale i hånden, når vi tager en karton mælk eller juice ud af køleskabet. Ud over selve pappet består emballagen af tynde lag af polymerer og alufolie, der er med til at give de vandtætte og lugtisolerende egenskaber. En typisk emballage har fem-syv lag materiale.
Det er især den ekstremt hurtige produktion, der udfordrer udviklerne. Der er brug for mange emballager i den moderne verden, og de skal være billige.
”Samtidig forsøger vi konstant at presse forbruget af materiale til den enkelte emballage ned. Det gør vi både af økonomiske årsager og for at mindske belastningen af miljøet og forbruget af ressourcer,” tilføjer Christel Andersson.
Samspil med elektronmikroskopi
Et andet hensyn er forbrugernes komfort.
”Forbrugerne ønsker emballager, der er lette at åbne. Det forsøger vi at efterkomme, men naturligvis uden at gå på kompromis med evnen til at holde produktet inde. Det er modsatrettede hensyn,” supplerer teknologispecialist Eskil Andreasson fra Tetra Paks afdeling for teknologiudvikling.
Han viser en udstanset kompositplade, der kan foldes sammen til en såkaldt Tetra Brik Aseptic, som er en emballage, der egner sig særligt til langtidsholdbare produkter. På de steder, hvor maskinen skal bukke kompositpladen, er der på forhånd trykket fordybninger i materialet. I fagsproget kaldes det ’creasing’. Denne deformering betyder, at materialet lettere bøjer her. Fordybningerne bliver til hjørnerne i den færdige emballage, og takket være forbehandlingen bliver styrken i hjørnerne lige så god som i resten af strukturen.
Nøglen til at opnå det bedst mulige resultat hurtigt og med mindst mulig brug af materialer ligger i den rette kombination af materialevalg, design, forarbejdningsproces og forbehandling. Det kræver stor og meget detaljeret viden.
”Polymerlagene har samme tykkelse som et hår, så vi er nødt til at have ekstrem høj opløsning for at få de resultater, vi har brug for,” siger Eskil Andreasson.
Virksomheden bruger elektronmikroskopi – nærmere bestemt SEM (Scanning Electron Microscopy) – til disse detaljestudier.
”Det vil vi fortsat gøre, men SEM har den ulempe, at man skal skære prøver ud af materialet. Dermed vil der altid være lidt tvivl om, hvorvidt prøveudskæringen har ændret struktur og andre egenskaber. Omvendt er fordelen ved røntgenstråling er, at man kan se egenskaberne i materialet udefra. Desuden forandrer man ikke prøven. Derfor kan man senere måle på den samme prøve igen.”
Fra statisk til dynamisk
Tetra Pak har selv tre røntgenapparater. Desuden har virksomheden for nylig indledt et samarbejde med DTU og en række andre danske forskningsinstitutioner og virksomheder.
Det sker i projektet LINX – Linking Industry to Neutrons and X-rays (Læs mere i faktaboks i højre spalte).
Tetra Pak købte sin første røntgenkilde med henblik på kvalitetskontrol. Maskinen benyttes fortsat til det formål. De to øvrige indgår i udviklingsarbejdet.
”På få år har røntgentomografi flyttet sig fra at være noget, som folk omtalte som spændende og interessant, til at være en del af dagligdagen,” siger Eskil Andreasson.
”Vi sparer mange fysiske test, som vi tidligere var nødt til at lave, fordi vi kan tage vores CT-skanninger ind i simuleringer, så vi kan se virtuelt, hvordan ændringer i materialevalg, processer og design vil påvirke resultatet. På den måde kan vi slippe med færre fysiske test, som til gengæld er skarpere tilrettelagt, så de giver os større værdi.”
LINX-samarbejdet skal føre virksomheden endnu længere.
”Vi er glade for vores egne røntgenmålinger, men de har den begrænsning, at de er øjebliksbilleder. Virkeligheden er jo ikke statisk, men dynamisk,” forklarer Eskil Andreasson. ”For at ’filme’ ændringerne i strukturen i den høje opløsning, som vi har brug for, er man nødt til at have større røntgenkilder. Det skridt har vi brug for, at DTU hjælper os med at tage.”
Partnerskab over sundet
Tetra Pak og DTU-forskerne har især kig på beamlinjen ’DanMAX’ ved MAX IV.
”Vi har fået forsøg udført ved forgængeren MAX II, men det har ikke været på regelmæssig basis. I fremtiden håber vi, at det kan blive en del af vores rutiner,” siger Eskil Andreasson.
"”Røntgentomografi er relevant for alt vores udviklingsarbejde, formgivning af emballager, forbehandling, forarbejdning og valg af lukkemekanismer. Vi har kun set starten på det, teknologien kan hjælpe os med.”"
Eskil Andreasson, Teknologispecialist, Tetra Pak
Selvom der endnu er et par år til indvielsen af DanMAX-linjen, er virksomheden ikke for tidligt ude, understreger han.
”Det er klogt at afklare på forhånd, hvilke forsøg vi gerne vil have udført, og hvordan de forskellige eksperimenter skal rigges til.”
MAX IV ligger netop i Lund ligesom et andet stort anlæg, neutronkilden ESS (European Spallation Source), som også er under opførelse.
”Det sker da, at vi bliver spurgt om, hvorfor vi har valgt at samarbejde med danske forskere, når nu anlæggene ligger i Lund. Det skyldes først og fremmest det gode ry, som forskerne på DTU har inden for feltet. Desuden er København jo meget tættere på os end f.eks. Stockholm,” siger Christel Andersson.
Trygt at dele viden
En sidegevinst er samarbejdet med de danske virksomheder i projektet.
”Selvom en virksomhed som f.eks. Velux arbejder med væsentligt større dimensioner, når den producerer sine vinduer, er der alligevel nogle grundlæggende problemstillinger omkring forarbejdning af kompositmaterialer, som vi har tilfælles,” siger Eskil Andreasson. ”Man skulle måske heller ikke tro, at Novo Nordisk og vi har fælles udfordringer, men faktisk benytter Novo Nordisk meget af den samme simuleringsteknologi som os. På den måde fungerer LINX-projektet også som en ’hub’, hvor vi kan udveksle erfaringer. Der kommer jo rigtig meget ny både hardware og software til brug for røntgentomografi i disse år. Faktisk tror jeg netop, at det er en fordel, at virksomhederne er så forskellige. Vi er ikke konkurrenter, og dermed er det trygt at dele viden.”
Blandt forskningspartnerne er især DTU Compute og DTU Fysik interessante for Tetra Pak.
”En ting er at lægge forsøgene til rette, så man får sine resultater, men det er også vigtigt at begrænse sig, så man ikke skal forarbejde alt for store datamængder. Det kan DTU hjælpe os med,” siger Eskil Andreasson.
”Desuden er DTU-forskerne dygtige til imaging,” supplerer Christel Andersson. ”Som garvet bruger kan man godt få noget ud af de rå data, men det er nu engang et grundlæggende behov hos mennesket, at man helst vil se med egne øjne, hvad der sker i materialet.”
”Visualisering er utrolig vigtig for røntgentomografien,” samstemmer Eskil Andreasson. ”Efterhånden som man får erfaring med røntgen, lærer man sig at navigere rundt i billederne og zoome ind og ud, mens man hele tiden har overblik over længdeskalaerne. Men især for nye, der skal lære tingene, er der brug for hjælp. Det gælder også, når vi skal præsentere resultaterne for andre, ikke mindst for virksomhedens ledelse.”
Læs mere om imaging DTU's Imaging Industry Portal.
Vil designe innovative materialer
”Visionen er, at vi en dag vil nå dertil, hvor vi ikke længere kun efterprøver effekterne af innovative materialeløsninger, men ligefrem vender tingene på hovedet, så vi bruger visualiseringer på baggrund af røntgentomografi til at designe materialerne på molekyleniveau,” siger Christel Andersson. ”Det er et område, som er på vej frem – såkaldt molecular dynamics.”
I første omgang har Tetra Pak valgt at begrænse sig til materialestudier i sammenhæng med LINX-projektet, men det vil være oplagt at inddrage andre områder senere, slutter Eskil Andreasson:
”Røntgentomografi er relevant for alt vores udviklingsarbejde. Det vil også sige formgivningen af emballagerne, forbehandlingen, forarbejdningen og valget af lukkemekanismer. Vi har kun set starten på det, som teknologien kan hjælpe os med.”