Jääkiekkomaila. Jussi Tamminen

Transkriptio

1

2 Jääkiekkomaila Jussi Tamminen Johdanto Tarkoituksena on löytää paras mahdollinen materiaali jääkiekkomailaa varten. Ongelmaa lähdetään ratkaisemaan vaiheittain. Ensin määritetään jääkiekkomailan tärkeimmät ominaisuudet ja niiden vaikutuksen materiaalien valintaan. Sitten vertaillaan eri materiaaliryhmiä keskenään, tarkoituksena valita parhaiten soveltuva ryhmä jatkotutkimuksia varten. Kun lopulta on päädytty parhaaseen materiaaliryhmään, valitaan ryhmän sisältä parhaiten soveltuva materiaali. Jääkiekkomailan ominaisuudet Tässä tutkielmassa on pääpainona jääkiekkomailan mekaaniset ominaisuudet, sillä fyysiset ja kemialliset ominaisuudet eivät ole niin tärkeitä pelaajan kannalta. Jääkiekkomailan tärkeimpiä ominaisuuksia pelaajalle ovat, jäykkyys, pituus, kätisyys, paino ja hinta[1]. Varsinkin jäykkyys, paino ja hinta ovat erittäin riippuvaisia käytettävästä materiaalista. Mailan rakenteen on myös syytä vastata jääkiekon virallisia sääntöjä [2]. Onneksi säännöt ovat todella joustavia, ottaen kantaa lähinnä mailan muotoiluun ja väritykseen. Jotta pelaaja saa kiekkoon mahdollisimman paljon nopeutta, on mailan varren kyettävä taipumaan ja vapauttamaan varastoitu taivutus energia nopeasti. Kyseinen ominaisuus asettaa materiaalille elastisuus vaatimuksen. Valmistusmateriaalin on siis kyettävä venymään, vapauttamaan energiaa nopeasti, mutta ennen kaikkea säilytettävä muotonsa. Lisäksi on mailan on oltava tarpeeksi jäykkä, jotta pelaaja pystyy hallitsemaan kiekkoa tarkasti sekä suojelemaan sitä toisilta pelaajilta. Toisin sanoen varren on oltava jäykkä ja sen myötörajan on oltava korkea, jotta mailaan saa varastoitua paljon energiaa ilman muodonmuutoksia. Mailan on tämän kaiken lisäksi oltava riittävän kevyt pelaajan käytettäväksi. On syytä muistaa, että jääkiekkomailan lapa voidaan valmistaa eri materiaalista kuin varsi ja lavan vaatimukset ovatkin hiukan erilaiset. Hyvä lapa on mahdollisimman jäykkä, kestävä ja kevyt. Materiaaliryhmän valinta Materiaaliryhmän valinnassa pidettiin tärkeänä materiaalin jäykkyyttä ko. tapauksessa se tarkoittaa kimmomoduulia. Lisäksi ryhmiä vertaillaan niiden suhteellisen venymän perusteella, materiaalin saavuttaessa myötörajansa. Materiaalin oli siis pystyttävä venymään hiukan, ennen kuin saavuttaa myötörajansa. Jos materiaali ei juurikaan veny ennen myötörajaansa, materiaali silloin hauras, eikä pysty varastoimaan pelaajan kannalta oleellista jousienergiaa. Liian venyvä materiaali taas ikävä kyllä yleensä tarkoittaa liian pehmeää materiaali. Esimerkiksi kuminauha on oivallisen venyvää, mutta liian pehmeää. Jotenkin valintaa oli kuitenkin ohjattava oikeaan suuntaan, ja siinä astuu kuvaan puu sekä CES EduPack 2016 ohjelmisto. Puu on hyvä vertailu taso sillä siitä on valmistettu lukemattomia loistavia mailoja. On siis syytä etsiä materiaali, jolla on vaneria paremmat ominaisuudet. Alla olevassa kuvassa (kuva 4) vaneri on korostettu mustalla merkkipaaluksi. X-akseli kuvaa materiaalin suhteellista venymää ennen pysyviä muodonmuutoksia. kuvasta selviää, että elastomeerit ovat materiaaleista venyvimmät ja tekniset keraamit kaikista jäykimpiä. Tässä vaiheessa on ilmeistä jättää elastomeerit, polymeerit ja vaahdot pois prosessista, koska ne eivät ole tarpeeksi jäykkiä materiaaleja. Ko. materiaalien pehmeys johtuu niiden mikrokenteen solu-/kuitumaisuudesta. Kun vierekkäiset rakenneosat pääsevät liikkumaan suhteessa toisiinsa, on materiaali melko pehmeää ks. kuva 3. [5] Muoveilla on myös väsyä eli virua ajan kuluessa. Parhaan komposiitin valinta Komposiittien vahvuus selittyy niiden mikrorakenteesta. Perinteisten kuitumaisten komposiittien ideana on yhdistää paljon vetoa kestävät ja helposti taipuvat kuidut toisiinsa esimerkiksi epoksilla. Silloin kuidut kestävät vetorasituksen ja epoksi suojaa kuituja sekä yhdistää voimat kuitujen välillä. Komposiitit ovat myös todella sitkeitä eivätkä säröt juurikaan pääse niissä etenemään kuitujen ansiosta. [7] Vaikka komposiittien hinnat eivät ole aivan vanerin tasoa, ovat niiden hinnat kuitenkin kohtuullisia niiden ominaisuuksiin nähden. On myös syytä huomioida, että pelaajat ovat valmiita maksamaan mailan laadusta. Komposiitteja vertailtiin keskenään puristus- ja vetomurtorajojen perusteella. Vertailussa otettiin huomioon myös sitkeys ja kimmokerroin. Eri komposiittien välillä ei ollut suuri eroja, mutta varsinkin vetomurtolujuus on selvästi suurin hiilikuitu-epoksi komposiitilla. Varsi päätettiin valmistaa hiilikuitu komposiitista ja lapa alumiini piikarbidi komposiitista. Mitä tarkoittaa jäykkyys? Entä kimmomoduuli/ venymä/myötöraja? Kuva 7. Komposiittien vertailua. CES EduPack 2016 Kuva 4. Materiaaliryhmän valintaa. CES EduPack 2016 Kuva 1. Ionisidos, kovalenttinen sidos ja metallisidos. Materiaalien ominaisuuksia Ennen materiaalin valintaa on hyvä ymmärtää, mikä antaa materiaaleille niiden ominaisuudet. Atomit liittyvät toisiinsa kolmella eri sidoksella, joita ovat ioni-, kovalenttiset- ja metallisidokset. Näiden sidosten muodostumista ohjaa atomin valenssielektronit. Materiaalissa on toki myös muitakin sidoksia esimerkiksi molekyylien välillä, mutta ne ovat selkeästi näitä kolmea päätyyppiä heikompia. Koska ketju on vain yhtä vahva kuin sen heikoin lenkki, kannattaa jääkiekkomailan tapauksessa tarkastelu rajata näihin kolmeen päätyyppiin.[3] Ionisidos syntyy yleensä metallin, joka luovuttaa valenssielektroneitaan ja epämetallin, joka vastaanottaa elektroneita, välille. Kun atomit ovat vaihtaneet elektroneita, kummastakin atomista tulee sähköisesti varautunut. Ionisidoksessa atomit pysyvät paikoillaan Coulombin-voiman avulla. Ionisidos on vahva, mutta toisaalta hauras sidos, jolla on korkea sulamispiste. Esimerkiksi monet keraamit.[3] Kovalenttinen sidos syntyy kahden atomin välille, joilla ei ole niin suuri elektronegatiivisuus ero. Kovalenttisesti sitoutuneet atomit jakavat elektroneita keskenään ja muodostavat todella monipuolisia yhdisteitä. Sidokset voivat olla erittäin kovia tai pehmeitä. Esimerkiksi polymeerit ja elastomeerit.[3] Metallisidos muodostuu kahden metallin välille. Metallisodoksessa ylimääräiset valenssielektronit saavat liikkua vapaasti elektronimeressä liimaten atomien ytimet paikoilleen. Vapaiden elektronien ansiosta metallit ovat hyviä johteita.[3] Mitä muuta? Kun poistetaan kaikki materiaaliryhmät, jotka eivät ole yhtä jäykkiä kuin vaneri tai eivät ole yhtä venyviä. Jäljelle jää kuvan 5. mukainen joukko. Kuvassa materiaalit asettuvat kuvaajaan tiheytensä ja haurautensa mukaisesti. Paras mahdollinen aine olisi vasemmassa yläkulmassa ja huonoin oikeassa alanurkassa. Vaikka tekniset-keraamit sekä metallit ovat melko sitkeitä, ovat ne suhteettoman painavia verrattuna luonnonmateriaaleihin tai komposiitteihin. Kuvasta karsiutuu särönmuodostuksen perusteella pois lasit sekä perinteiset keraamit. Keraamien ja lasien hauraus paljastuu niiden mikrorakenteesta ja sidostyypistä. Lasit ja keraamit muodostuvat yleensä ionisidoksista, jotka ovat kovia, mutta hauraita ja eivät ne yleensä kestä paljon venytystä[6]. Kiteinen mikrorakenne (ks. Kuva 3) ikään kuin napsahtaa kerrasta rikki, eikä juuri veny kuten metallisidokset. Rajataan siis hauraimmat materiaaliryhmät pois ja tutkitaan vielä materiaalien jäykkyyden ja tiheyden suhdetta. Kuva 8. hiilikuitukomposiitissa ei säröt etene. Jääkiekkomailan valmistus Mailan varsi kannattaakin siis valmistaa hiilikuitu-epoksi komposiitista, koska sen ominaisuudet vastaavat parhaiten jääkiekkomailan ominaisuuksia. Varsinkin hiilikuidun suuri vetomurtolujuus on hyödyksi kun mailaa halutaan taivuttaa paljon kunnon laukausta varten. Jos maila olisi tehty esimerkiksi muovista, löystyisi se jokaisen laukauksen aikana dramaattisesti. Toisaalta keraaminen varsi ei joko taipuisi ollenkaan tai sitten katkeaisi heti ensimmäisessä laukauksessa. Alumiinisia varsia on kyllä käytetty aikaisemmin mailoissa, mutta ne ovat komposiittimailoja raskaampia. Hiilikuitukomposiitin etuna voidaan pitää myös sen helppoa muotoilua, kuituja suuntaamalla saadaan mailasta valmistettua mahdollisimman kevyt ja vahva [7]. Hiilikuitukomposiitti on tämän tutkimuksen materiaaleista ehdottomasti paras ratkaisu mailan varteen. Kun lujuuden yhdistää nerokkaaseen muotoiluun saadaan jotain uutta, jossa on puumailan tuntuma tallella.[8] Mikrorakenteen merkitys Eräs tärkeä asia materiaalin kestävyydessä on materiaalin mikrorakenne, mikrorekenne määrää mm. materiaalin tiheyden. Mikrorakennetta halutaan yleensä muuttaa sovelluskohteeseen sopivaksi. Esimerkiksi teräksen ominaisuuksia ja mikrorakennetta voidaan muuttaa karkaisulla sekä hiilen määrällä. Oikeilla menetelmillä pehmeästä raudasta saadaan kovaa terästä. [4] Mikrorakenteista kerrotaan lisää seuraavassa kohdassa. Kuva 5. Särönmuodostuksen ja keveyden huomiointi. CES EduPack 2016 Kuvassa 6 ryhmät on kuvattu vielä kerran. Nyt x-akselilla on jäykkyyden ja tiheyden suhde ja y-akselilla hinta. Kuvasta erottuu selvästi yksi ryhmä edukseen. Kaikkien vaiheiden jälkeen komposiitit osoittautuvat ylivoimaisesti parhaiksi materiaaleiksi jääkiekkomailan valmistukseen, koska niissä lujuus yhdistyy keveyteen. Metallisidokset karsiutuvat suuren tiheytensä vuoksi pois. Metallien ja keraamien suuri tiheys, johtuu osittain niiden ioni- ja metallisidoksen tiheästä luonteesta (ks. Kuva 1) ja niistä johtuvista mikrorakenteista kuva 2 ja 3. Jääkiekkomailan lapa kannattaa kuitenkin valmistaa alumiini-piikarbidi komposiitista eli AlSiC:stä. AlSiC on hyvä materiaali lavalle, koska se on todella jäykkää ja kestävää, mutta sen lisäksi lavat voidaan nyt valmistaa valamalla ne suoraan AlSiC:stä, mikä säästää aikaa ja on lisäksi hiilikuitua edullisempaa. On muutenkin järkevä valmistaa pelkkiä suoria varsia, koska niiden tuotanto on helpompi optimoida ja vasta jälkeenpäin kiinnittää niihin AlSiC lapa. Kuva 2. Hiilikuidun ja teräksen mikrorakenne. Kuva 6. Jäykkyyden ja tiheyden suhde sekä hinta. CES EduPack 2016 Kuva 3. Keraamin ja polymeerin mikrorakenne. Kuva 9. Montrealin uusi yksiosainen komposiittimaila [1] [2] antokirja_ pdf [3] Materials Science and Engineering an Introduction 8th Edition. William D. Callister, jr and David G. Rethwisch [4] [5] [6] [7] [8]

3 Jääkiekkomailan materiaalivalinta Christian Riitamaa Johdanto Tehtävän aiheena on tutkia jääkiekkomailan materiaalivalintoja. Tarkastelua tehdään sekä makro- että mikrotasolla, mutta materiaalivalintojen tarkastelussa tehdään muutamia yksinkertaistuksia. Ensinnäkin materiaalit tutkitaan ja esitellään ryhmissä, esim. puu esitellään yhtenä kokonaisuutena ilman erittelyä eri puulajeihin kuten kuusi, mänty jne. Tämän lisäksi lopullista rajausta yhden ainoan materiaalin esittelyä varten oletetaan, että koko maila on tehty samasta aineesta. Käsittelyssä keskitytään myös ainoastaan jääkiekkopelaajan mailaan, sillä maalivahdin mailalle on hieman erilaiset vaatimukset. Taustatutkimus Pohjois-Amerikkalaisen jääkiekkoliiga NHL:n virallisessa sääntökirjassa määritellään mailojen materiaaliksi puu tai jokin muun liigan hyväksymä materiaali, lisäksi mailan maksimimitoiksi määritellään varrelle 63 (n. 160 cm) ja lavalle 12,5 (n. 31,5 cm) [1, s. 14]. Liigan peleissä on hyväksytysti käytetty seuraavista materiaaleista tehtyjä mailoja: puu, alumiini, lasikuitu, hiilikuitu, kevlar, titaani sekä erilaisia komposiittimateriaaleja. Useimmiten mailat koostuvat useammasta kuin yhdestä materiaalista, esimerkiksi nykyisissä puumailoissa varsi on yleensä tehty laminoimalla puuta kerroksittain ohuen muovin tai lasikuidun kanssa. Lisäksi mailan lapa on päällystetty kokonaan muovilla tai lasikuidulla. Metallit ja metalliseokset koostuvat alkuainemetalleista sekä näiden seoksista toisten metallien, epämetallien ym. alkuaineiden kanssa. Metallien ja metalliseosten ominaisuuksiin kuuluu hyvä muokattavuus, kestävyys ja usein hyvä sähkön- ja lämmönjohtokyky. Jääkiekkomailan kannalta niiden tärkeimpiä ominaisuuksia on hyvä rasituksen kestävyys painoon nähden sekä se, että useilla metalleilla elastisen muodonmuutoksen alue on suurempi kuin muilla materiaaleilla. Metallit ja metalliseokset ovat myös suurimmaksi osaksi aineominaisuuksiltaan samanlaisia kaikkiin suuntiin, eli ne ovat isotrooppisia materiaaleja. Metallien ja metalliseosten ominaisuuksien takana on niiden uniikki molekyylirakenne, jossa niiden atomit muodostavat tietyntyyppisiä kidehiloja ja jakavat uloimmat elektroninsa muiden atomien kanssa. Seurauksena on rakenne, joka kestää hyvin toistuvaa rasitusta murtumatta ja rakenteen muuttumatta, sekä erittäin kestävä rakenne painoonsa nähden. Komposiitit ovat materiaaleja, joissa yhdistetään kaksi tai useampia rakenneominaisuuksiltaan selvästi poikkeavaa materiaalia. Tuloksena on materiaali, jolla on ideaalitapauksessa kunkin osamateriaalin vahvuudet eikä yhdenkään osamateriaalin heikkouksia. Esimerkkejä komposiiteista ovat hiilikuituvahvisteiset polymeerit, lasikuituvahvisteiset polymeerit ja kevlar. Komposiiteille tyypillistä on myös se, että materiaalin lujuusominaisuudet eri suuntiin ovat erilaiset, eli komposiitit ovat ortotrooppisia. Komposiitit koostuvat karkeasti yleistäen täyteaineesta ja vahvikkeesta, esim. lasikuituvahvisteisissa polymeereissa pohjana toimii jokin polymeeri jota vahvistetaan lasikuiduilla. Riippuen kuitujen orientaatiosta saadaan eri suuntiin eri tavalla kestävää materiaalia. Kestävyyttä useisiin eri suuntiin voidaan parantaa rakentamalla komposiitti kerroksittain tai jonkin muun kestävän geometrian, kuten hunajakennon, muotoon. Komposiiteilla saadaan aikaan tiettyyn suuntaan erittäin paljon rasitusta kestäviä, verrattain kevyitä rakenteita. Kansainvälinen Jääkiekkoliitto IIHF määrittelee jääkiekkomailan mitat ja materiaalit [2, s ] hyvin samankaltaisesti kuin NHL. IIHF:n mitoissa on hieman eroa NHL:n vastaaviin ja IIHF kiinnittää huomiota enemmän myös mailaan sallittaviin teippauksiin, jolla ei tässä tarkastelussa ole väliä. Kuvat 3a ja 3b. Erilaisia kidehiloja [5],[6] Kuva 4. Havainnekuva komposiitista [7] ,5 Kuva 1. Jääkiekkomailojen tyypilliset mitat [3] 39 Mailaan kohdistuvat rasitukset Jääkiekkomailaan kohdistuu erilaisia ja -suuruisia rasituksia. Mailan lapaan kohdistuu äkillisiä voimaimpulsseja pelaajan pysäyttäessä kiekon tai lyödessä sitä. Mailan varteen kohdistuu myös rajuja voimia pelaajan lyödessä kiekkoa tai joutuessa taklatuksi. Lisäksi on erinäisiä tilanteita, joissa maila saattaa joutua rasituksillle, jotka eivät suoranaisesti liity sen käyttöön, mutta joissa on suotavaa että maila ei hajoa, esimerkiksi pelaajan kaatuessa mailan varaan. 9 Lapaan kohdistuvat rasitukset voidaan jakaa karkeasti kahteen pääasialliseen lähteeseen: kiekosta aiheutuvat voimat ja pelaajista aiheutuvat voimat. Kiekon aiheuttamat voimat ovat luonteeltaan sellaisia, että monet niistä ovat lavan kaaren normaalin suuntaisia. Nämä voimat aiheuttavat myös suurta momenttia lavan ja varren kiinnityskohtaan, joka on yleisimpiä murtumiskohtia. Pelaajista aiheutuvat voimat ovat esim. luistinten osumista lapaan, joille on vaikeampi määritellä jotain yleistä suuntaa, mutta niidenkin voidaan olettaa olevan suurimmaksi osaksi lavan kaaren normaalin suuntaisia. Mailan varteen kohdistuu myös rasituksia, joista kriittisimpien voidaan sanoa olevan mailan varren akselia vastaan kohtisuorassa. Nämä voimat saavat mailan murtumaan jostain kohtaa vartta. Lujuusopillisesti mailan vartta voitaisiin yksinkertaistetusti mallintaa palkkina ja mailan lapaa laattana. Tarkasteltavat materiaalit Kuten taustaselvityksestä kävi ilmi, jääkiekkomailoja on tehty puusta, alumiinista, titaanista, hiilikuidusta, lasikuidusta, kevlarista sekä erilaisista sekoitemateriaaleista eli komposiiteista. Tarkastelun yksinkertaistamiseksi todettiin alussa materiaaleja tutkittavan ryhmittäin, eli jaetaan potentiaaliset mailamateriaalit seuraaviin kategorioihin: luonnonmateriaalit, metallit ja metalliseokset, sekä komposiitit. Vaikka moderni puumaila on teknisesti ottaen puun ja jonkin muun materiaalin/materiaalien seos, käsitellään se tässä yhteydessä luonnonmateriaaleihin kuuluvana. Luonnonmateriaalit ovat orgaanisesta aineksesta, tyypillisesti puusta tai puun jatkojalostustuotteista, koostuva rakennemateriaalien ryhmä. Useat luonnonkuidut ja -materiaalit muodostavat solutasolla erittäin kestävän geometrian omaavia rakenteita. Esimerkkinä voidaan mainita puu, jonka soluseinämät koostuvat selluloosasta, hemiselluloosasta ja ligniinistä ja jotka antavat puulle sen ominaisen kestävyyden. Karkeasti yleistäen puulla on hyvä veto- ja puristuslujuus sen syiden suuntaan ja se kestää myös hyvin kuormitusta syitä kohtisuoraan. Lisäksi puusta voidaan tehdä vieläkin kestävämpiä rakenteita laminoimalla sitä kerroksittain siten, että syyt ovat kohtisuorassa toisiaan vastaan eri kerroksissa. Kuva 2. Punapuun syitä [4] Kuva 5. Tiheyden ja myötölujuuden suhde eri materiaaleille. Arvot CES-Edu 2016 ohjelmasta Materiaalin valinta Yllä olevassa kuvaajassa näkyy muutamien tarkastelun kohteena oleviin materiaaliryhmiin kuuluvien materiaalien tiheyden suhde niiden elastiseen myötölujuuteen. Tarkastelussa on puuta approksimoitu sekä vanerina että mäntypuuna syiden suuntaan ja niiden vastaisesti. Kuvaajasta nähdään, että rasituksen kohdistuessa syiden suuntaisesti mänty on verrattavissa tiettyihin alumiiniseoksiin ja komposiitteihin, männyn tiheyden ollessa kuitenkin huomattavasti pienempi. Näin ollen tietyissä geometrisissa konfiguraatioissa männystä voidaan rakentaa vastaavia komposiitti- ja metalliseosrakenteita kevyempiä, mutta pyöreästi ottaen yhtä lujia, rakenteita. Jatkotarkastelua varten valitaan vaneri luonnonmateriaalien materiaaliryhmästä. Vaneria jääkiekkomailan materiaaliksi puoltaa sen suhteellinen keveys, kestävyys ja edullisuus verrattuna muihin tarkastelussa olleisiin materiaaleihin. Jääkiekkomailaan kohdistuvat rasitukset ovat pääosin äkillisiä ja hetkellisiä voimia, jotka kohdistuvat pienelle pinta-alalle. Vaikka vaneri on absoluuttisissa termeissä heikompaa kuin tarkastelun muut materiaalit, se saavuttaa riittävän lujuuden sovelluksissa kuten jääkiekkomaila. Lisäksi jääkiekkopelissä voi syntyä tilanteita, joissa mailan hajoaminen saattaa olla suotavaa, jottei pelaajille aiheudu vaurioita. Vaneri on lisäksi kevyttä ja helposti kierrätettävissä, mikä on hyvä ominaisuus paitsi käyttökohteen realiteetit huomioon ottaen, joissa mailoja tulee hajoamaan, myös kestävän kehityksen ajattelun kannalta. Kun verrataan tarkastelun muihin materiaaleihin, erilaiset komposiitit ovat huomattavan paljon vaikeampia kierrättettäviä tai hävitettäviä. Metalleille ja erilaisille metalliseoksille kierrätys on metallista riippuen helpohkoa. Hintansa puolesta vaneri on edullisin materiaali lähes kaikissa tilanteissa jääkiekkomailan raakaaineeksi, vaikka mailojen valmistaminen saattaakin valmistusprosessista riippuen nostaa lopputuotteen hintaa siten, että jokin muu materiaali olisi valmistusprosessin kannalta tuotteen lopullista hintaa ajatellen järkevämpi. Mikäli esimerkiksi vanerimailat vaativat paljon käsintehtyä viimeistelyä, voisi alumiini olla järkevämpi materiaalivalinta, jos valmistus siten saataisiin paremmin automatisoitua. Koska tehtävänantoa ajatellen valmistusprosessi on tuntematon, vaneri on sopiva valinta. [1] The National Hockey League. National Hockey League Official Rules Newmarket, Ontario, Kanada: Raster Graphics, s. [Verkkojulkaisu][Viitattu ]. Saatavissa: [2] International Ice Hockey Federation. IIHF Official Rule Book Zürich, Sveitsi: International Ice Hockey Federation, s. [Verkkojulkaisu][Viitattu ]. Saatavissa: [3] [4] [5] [6] [7]

4 Jääkiekkomaila - Hiilikuitu Tekijä: Risto Sonni Vaadittavat ominaisuudet: Kevyt: Mailan tulee olla kevyt. Pelaajat luistelevat ottelun aikana pitkiä matkoja maila kädessään ja sitä nostellaan monta kertaa. Joustava ja väsymätön: Laukaisu perustuu mailan taipumiseen. Mailan taipuessa siihen varastoituu potentiaalienergiaa, joka vapautuessaan lähettää kiekon matkaan. Parhaan laukauksen aikaansaamiseksi, mailan tulee siis olla joustava. Materiaali ei saa myöskään väsyä toistuvien laukaisujen kuormituksesta. Hiilikuitu: Hiilikuituja käytetään laajasti erilaisten materiaalien vahvistamiseen niin urheiluvälineissä kuin erilaisten kaupallisten ja armeijan tarkoituksissa. Hiilikuituja voi löytää esimerkiksi kalastusvavoista, golfmailoista, paineastioista, lentokoneista ja helikoptereista. [1 s, 599] Hiilikuitu koostuu pienistä noin 5-8 mikrometriä paksuista hiilisäikeistä. Säikeet koostuvat hiiliatomikerroksista, joissa atomit ovat järjestäytyneet heksagonaaliseen muotoon. [2] Hiilikuidut luokitellaan vetolujuuden mukaan. Kuitu, jonka vetolujuus on alle 240 Gpa, määritellään alhaisen lujuuden kuiduksi. Erittäin lujalla kuidulla, vetolujuus on Gpa. Vertailun vuoksi, teräksen vetolujuus on noin 200 Gpa. [2] Kuva 5. Heksagonaalinen hiilikuituputki Kuva 1. Laukaisu Kestävä : Maila ei saa hajota helposti, sillä mailalla lauotaan monia kertoja ottelun aikana. Lisäksi siihen kohdistuu paljon muita iskuja, esimerkiksi muiden pelaajien toimesta. Materiaaliryhmät: Metallit: Metalleissa atomit ovat järjestäytyneet säännöllisesti, joka antaa niille hyvän kestävyyden. Metalleilla on yleisesti suuri tiheys ja ne ovat suhteellisen jäykkiä materiaaleja. [1, s. 5-6] Keraamit: Keraamiset materiaalit muistuttavat metalleja tietyiltä osin. Ne ovat yleensä jäykkiä ja suhteellisen vahvoja. Ne myös kestävät kuumuutta. Toisaalta ne ovat kovia ja hauraita sekä alttiita murtumille. [1, s. 6-7] Polymeerit: Polymeereillä on suuri molekyylirakenne ja tämän myötä tiheys on yleensä pieni. Polymeerien mekaaniset ominaisuudet ovat päinvastaiset kuin metalleilla ja keraameilla, johtuen juuri erilaisesta molekyylirakenteesta. Ne ovat pehmeitä ja joustavia sekä kestävät hyvin ulkoisia kuormituksia murtumatta. Toisaalta, jatkuvan rasituksen alla, ne löystyvät ja menettävät mekaanisia ominaisuuksiaan. [1, s. 8-9] Komposiitit: Komposiitit ovat kahden tai useamman materiaalin yhdistelmiä, jotka kuuluvat johonkin perusmateriaaliryhmään (metallit, keraamit, polymeeri). Näin saadaan aikaan materiaali, joilla on useamman perusryhmän ominaisuus. Yleensä komposiitit ovat synteettisiä, mutta joitain luonnossa esiintyviä materiaaleja (puu, luu) pidetään komposiittina. [1, s. 10] Kuva 2. Myötö- ja väsymisrajat Kuva 6. Hiilikuitumaila ja -pala Kuvasta 2 näkee eri ryhmiin kuuluvien materiaalien myötö- ja väsymisrajat. Hiilikuitukomposiitilla molemmat arvot ovat suuret. Suurempia arvoja löytyy lähinnä metalleista. Kun kuvan 2 tietoja vertaa tiheyksiin (kuva 3), hiilikuitukomposiitti on tiheydeltään pienempää kuin metallit ja näin ollen kevyempää. Materiaalien ominaisuuksia vertailtaessa niiden hintaan (kuva 4), nähdään, että hiilikuitukomposiitti ei ole halvin mahdollinen materiaali. Jääkiekkomailan ominaisuuksia tarkasteltaessa, hinta ei kuitenkaan ole tärkein, vaan mekaaniset ominaisuudet. Jääkiekkomailoja on ennen tehty puusta. Se on halpaa, joustavaa ja suhteellisen kestävää. Puumailat kuitenkin väsyvät useiden toistojen myötä ja menettävät tuntuman. Valmistus: Hiilikuitujen valmistus on yleensä monimutkaista. Niitä valmistetaan eri orgaanisesta alkumateriaalista, esimerkiksi selluloosasta tai polyakrylonitriilistä. Valmistustapa riippuu käytettävästä alkumateriaalista ja nämä yhdessä vaikuttavat lopputuotteen ominaisuuksiin. [1, s. 598] Yksi tapa valmistaa hiilikuituja on pyrolyysi. Pyrolyysissä alkumateriaalina on polyakrylonitriili. Pyrolyysissä polyakrylonitriiliä kuumennetaan, jolloin hiilen ja typen muodostama kolmoissidos katkeaa ja hiiliketjut muodostavat toistensa kanssa kehämäisiä rakenteita. Tämän jälkeen materiaalia kuumennetaan lisää noin 700 celsius-asteeseen. Tässä vaiheessa hiiliatomit luovuttavat vetyatominsa pois ja polyakrylonitriili aromatisoituu. Kolmannessa vaiheessa tuote kuumennetaan asteeseen, jolloin kehämäiset hiiliketjut muodostavat toisten kehien kanssa toistuvia rivejä ja lopulta sulautuvat yhteen. Lopputuloksena on vahva 93-95% hiilestä koostuva kuitu. [2, 3] Hiilikuitukomposiitti jääkiekkomailana Pelaajat nostavat mailojaan useita kertoja ottelun aikana, joten mailan massa ei saa olla suuri. Hiilikuitukomposiitin tiheys on kg m 3. Jääkiekkomailoissa käytettävän puun tiheys on hieman pienempi, kg m3. Mailat eivät kuitenkaan ole kovin kookkaita esineitä, joten massa eroa ei juurikaan ole. Lisäksi hiilikuitukomposiittimailassa materiaalia on vähemmän kuin puumailoissa juurikin mekaanisten ominaisuuksiensa myötä. Hiilikuitukomposiitin mekaaniset ominaisuudet ovat kuitenkin etuna jääkiekkomailan materiaalina Mpa:n myötöraja takaa sen, että laukauksessa aiheutuneen jännityksen myötä, hiilikuitukomposiitti pysyy elastisella alueella ja palaa laukauksen jälkeen alkuperäiseen muotoonsa. Puulla myötöraja on Mpa, joten hiilikuitukomposiitti kestää paljon suuremman kertakuormituksen. Jääkiekko-ottelussa yksittäinen pelaaja voi laukaista kiekkoa useita kertoja. Tällöin on tärkeää, että mailan materiaali ei väsy, vaan mailan ominaisuudet säilyvät mahdollisimman homogeenisina usean, toistuvan kuormituksen jälkeen. Hiilikuitukomposiitilla väsymisraja toistolla on Mpa, kun taas vastaavasti puulla Mpa. Näin hiilikuitukomposiitti säilyttää paremmin ominaisuutensa usean toiston jälkeen. Puumailat taas löystyvät ja niistä katoaa tuntuma. Monimutkaisten tuotantoprosessien myötä, hiilikuitukomposiitti on kallista tuottaa. Kilohinta hiilikuitukomposiitille on 34,3-38,1 euroa. Vastaavasti puulle kilohinta on 0,605-0,669 euroa. Tämä on kuluttajille huono asia. Puumaila maksaa euroa käytettävästä puusta riippuen. Hiilikuitumailojen lähtöhinta markkinoilla on 120 euroa, mutta ne voivat maksaa jopa 400 euroa. Hinta ei kuitenkaan ole jääkiekkomailan ominaisuuksien kannalta tärkeä, joten ratkaisevassa asemassa hiilikuitukomposiitin valintaan materiaaliksi ovat juurikin hyvät mekaaniset ominaisuudet, joita jääkiekkomaila tarvitsee. Kuva 3. Materiaaliryhmien tiheys Taulukosta 1 nähdään, että puulla tiheys on pienempi kuin hiilikuitukomposiitilla. Tämä voi johtaa harhakuvitelmaan, että puumailat ovat kevyempiä kuin hiilikuitukomposiitista valmistettu. Hiilikuitukomposiitilla taas on paljon suuremmat myötö- ja väsymisrajat kuin puulla, joten sitä tarvitaan mailaan vähemmän. Näin ollen hiilikuitukomposiittimailat ovat sisältä onttoja, kun taas puumailat ovat umpinaisia. Hiilikuitukomposiitti Puu Myötöraja Mpa Mpa Väsymisraja (10 7 toistoa) Mpa Mpa Tiheys Hinta kg m 3 34,3-38,1 Eur kg Taulukko 1. Hiilikuitukomposiitti vs. Puu kg m 3 0,605-0,669 Eur kg Kuva 4. Hinta [1] Callister, William D., Jr.Materials Science and Engineering. 7th edition. USA: John Wiley and Sons, Inc ISBN-13: [2] Wikipedia. Hiilikuitu. Saatavilla : [Viitattu ]. [3] The University of Southern Mississippi Department of Polymer Science. Making of carbonfibre. Saatavilla: [Viitattu ].

5 JÄÄKIEKKOMAILAN MATERIAALI Tekijä: Aaro Piirainen Yhteystiedot: Johdanto Tässä posterissa tutkitaan jääkiekkomailan valmistamiseen sopivia materiaaleja ja niiden ominaisuuksia ja pohditaan, minkälaisesta materiaalista jääkiekkomaila olisi materiaalin rakenteellisten ominaisuuksien kannalta järkevää valmistaa. Jääkiekkomaila voi koostua erikseen lavasta ja varresta, tai se voidaan valmistaa yhdeksi kappaleeksi sopivaksi katsotusta materiaalista. Tässä posterissa tarkastellaan ainoastaan mailaa, joka on valmistettu kokonaan samasta materiaalista. Oleelliset materiaaliominaisuudet Jääkiekkomailalta haluttuja ominaisuuksia ovat muun muassa joustavuus, kevyt paino ja kestävyys. Mailan on hyvä olla hieman joustava, jotta vetoon saadaan ladattua enemmän voimaa jännittämällä vartta ennen laukausta. Keveys taas helpottaa jääkiekkomailan käsiteltävyyttä. Valmistettaessa jääkiekkomailoja tulee joustavuudessa ottaa huomioon myös pelaajien mieltymyksien välisiä eroja. Yhdelle sopii jäykempi maila, kuin toiselle. Rakenteelta halutaan myös homogeenisyyttä, jotta valmistajan mailoissa ei olisi keskenään epähomogeenisen rakenteen vuoksi suuria eroja. Ennen jääkiekkomailat valmistettiin lähinnä puusta, mutta nykyisin mailoja valmistetaan materiaaleista, jotka täyttävät paremmin mailan ominaisuuksille asetettuja vaatimuksia, kuten hiili- ja lasikuitu ja muut komposiittimateriaalit. [1] Kuva 1 Jääkiekkomailan tulee kestää taivuttamista [10] Eri materiaaliryhmien soveltuvuus jääkiekkomailan valmistukseen Polymeerit ja elastomeerit eivät myöskään kelpaa, sillä elastomeerit ovat jääkiekkomailan valmistukseen liian venyviä ja niistä usein valmistetaan esim. kuminauhoja [3]. Mikrorakenne tasolla polymeereissä on rakenneosien välillä kovalenttisia sidoksia, jotka vaikuttavat sen käyttäytymiseen, kuten venymiseen tiettyyn suuntaan. Metallien ja metalliyhdisteiden materiaaliryhmästä löytyisi jääkiekkomailan valmistukseen lujuudeltaan riittävän lujia materiaaleja. Metalleissa atomien välillä vallitsee kiinteiden metallien tapauksissa metallisidos ja ne ovat mikrorakenteeltaan tyypillisesti kiteisiä. Metallisidos on vahva sidos ja tekee metalleista lujia [6]. Metallit eivät kuitenkaan atomirakenteensa vuoksi ole yleisesti jääkiekkomailan valmistukseen riittävän taipuisia, joten siksi en valitse materiaalia metallien ja metalliyhdisteiden materiaaliryhmästä. Tarkastelemalla CES-ohjelmalla eri materiaaliryhmien tiheyksiä, voidaan havaita, että metallien ja seosmetallien materiaaliryhmän materiaalit ovat yleisesti myös tiheämpiä, kuin hybridit, joten ne painavat enemmän, joten metalleista ei saataisi välttämättä valmistettua yhtä kevyttä mailaa kuin käyttämällä materiaalia hybridien materiaaliryhmästä [2]. Eri materiaalien soveltuvuus hybridien materiaaliryhmästä (komposiitit, luonnonmateriaalit) Tarkastelun jälkeen jäljelle jää hybridien materiaaliryhmä, josta löytyy materiaaliominaisuuksiltaan jääkiekkomailan valmistamiseen hyviä materiaaleja. Perinteisesti mailat on ennen valmistettu luonnonmateriaalista, puusta. Puulla on kuitenkin rakenteellisissa ominaisuuksissaan puutteita, kuten sen epähomogeeninen rakenne, joten se ei kykene kilpailemaan materiaaliominaisuuksiensa puolesta uudempien mailanvalmistusmateriaalien, kuten hiili- ja lasikuitujen ja muiden komposiittien kanssa. Komposiittimateriaalit ovat todennäköisemmin homogeenisiä rakenteiltaan, kuin puu [1]. Myös mailan kestävyyteen ja joustavuuteen voidaan vaikuttaa paremmin valitsemalla materiaaliksi jonkinlainen keino- tai yhdistelmämateriaali. Nykyään jääkiekkomailoja valmistetaan muun muassa hiili- ja lasikuidusta ja muista komposiittimateriaaleista [1]. Komposiitti on yhdistelmä kahta tai useampaa materiaalia, jossa yksittäiset materiaalit toimivat yhdessä, mutta eivät ole kuteinkaan sulaneet tai liuenneet yhteen [7]. Komposiitilla voidaan näin yhdistää eri materiaaleja yhdeksi kokonaisuudeksi, jossa kummankin edut tekevät komposiitista juuri käyttötarkoitukseen sopivan materiaaliyhdisteen. CES- ohjelman [2] ja lähteen [1] perusteella valitsisin mailanrakennusmateriaaliksi komposiittimateriaali hiilikuidun. Hiilikuitukomposiitista voidaan valmistaa kestäviä, kevyitä ja joustavia rakenteita, joten se soveltuu erinomaisesti myös jääkiekkomailan valmistamiseen. Myös komposiittimateriaali lasikuitu on hyvä vaihtoehto jääkiekkomailan valmistusmateriaaliksi ja sitä voidaan karkeasti verrata ominaisuuksiltaan hiilikuitua vastaavaksi. Kummatkin ovat kevyitä ja kestäviä, mutta hiilikuitu kestää enemmän venymistä ennen murtumista [8]. Hiilikuitu on myös CES-ohjelman mukaan hieman kevyempää kuin lasikuitu ja sen murtumiskovuus on ohjelman mukaan hieman suurempi, joten hiilikuitu vaikuttaa parhaalta valinnalta. Hiilikuitu Hiilikuitu rakentuu yksittäisitä ohuista (halkaisija 5-8 mikrometriä) säikeistä, jotka koostuvat lähes pelkästä hiilestä (kuva 2). Hiilikuitu muistuttaa rakenteeltaan grafiittia, mutta näiden erona on tapa, jolla kerrokset kiinnittyvät toisiinsa. Hiilikuitu koostuu hiiliatomikerroksista, jossa atomit ovat järjestyneet heksagonaaliseen muotoon. Hiilikuitu on kevyttä ja sen paino on yleensä vain puolet lujuudeltaan vastaavan teräksen painosta [9]. Tämä tukee päätöstäni materiaalin valinnan suhteen. Kuva 2 Hiilikuitusäie [9] Vertailen CES- ohjelmalla [2] neljää materiaaliryhmää, jotka ovat: Ceramics and glasses, Hybrids, Metals and alloys, sekä Polymers and elastomers. Kun tarkastellaan näitä materiaaliryhmiä haluttujen ominaisuuksien kannalta (Fracture toughness, Density) CES-ohjelmalla [2], näyttää siltä, että parhaiten materiaaliryhmäksi jääkiekkomailalle haluttuja ominaisuuksia täyttämään soveltuu hybridien materiaaliryhmä (kuva 4). Mielestäni hybridit soveltuva siksi mailanvalmistukseen muita vertailussa olleita materiaaliryhmiä paremmin, sillä niiden joukosta löytyy materiaaleja, joissa yhdistyy halutut ominaisuudet eli kestävyys, joustavuus ja keveys parhaiten kaikista vertailussa olleista materiaaleista. Myös lähteen [1] tekstissä todetaan, että nykyisin jääkiekkomailoja valmistetaan pääosin hiili- ja lasikuidusta, muista komposiittimateriaaleista sekä puusta, jotka kaikki kuuluvat hybridien materiaaliryhmään. Keraamit muodostuvat rakennetasolla usein kovalenttisistä tai ionisidoksista. Tällaiset sidostyypit murtuvat tyypillisesti helposti [5]. Keraamit ja lasit ryhmän materiaalit näyttävät yleisesti murtuvan herkemmin, kuin hybridit [2]. Ne eivät myöskään yleisesti ole riittävän taipuisia täyttääkseen jääkiekkomailan asettamat vaatimukset. Keraamit kyllä ovat kovia ja usein kestävät puristusta, muuta eivät niinkään vetoa [4]. Keraamit ovat liian hauraita jääkiekkomailan valmistuksen materiaaliksi. Kuva 3 Lasikuitua voidaan sen ominaisuuksiltaan verrata karkeasti hiilikuituun. [8] Lähteet [1] [2] CES EduPack 2016 [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] Kuva 4 Materiaaliryhmät murtuvuuskovuus-tiheys- kuvaajassa

6 Ice hockey stick Tekijä: Janina Voong Yhteystiedot: Introduction Ice hockey is a beloved sport in Finland. There are many internationally famous Finnish players, such as Teemu Selänne, who represent the small but proud nation in NHL, Olympics and etc. Also Finland does very well in the IIHF World Championships, winning gold once in 1995 and placing second and third multiple times. Although skillful players are required, it is important to note that having the right equipment is a fundamental factor in the games. This article s mission is to find the right material to make an ice hockey stick from. If you have ever seen an ice hockey match you ve probably noticed how physical the game gets. Not only is the stick used for shooting goals and passing, it can t be too heavy and it has to withstand several hundred hours of practice. It also has to endure the cold, harsh weather in which ice hockey is usually played. Different materials will be explored on both, micro and macro level. Picture 1: A swedish ice hockey player Density (kg/m^3) Dough (Bulk) molding compound, DMC (BMC), polyester matrix Sheet molding compound, SMC, polyester matrix GFRP, epoxy matrix (isotropic) CFRP, epoxy matrix (isotropic) Mechanical properties Before making a hockey stick one has to decide on which material to use. There are several hundreds of materials in the world and making the decision is crucial. So what are the important properties of a good hockey stick? Even as a viewer one can say that the stick has to be made of a solid, stiff material. It cannot bend easily but it needs to give in a little for it to not break in half. We are talking about the material s yield strength: the certain amount of stress which causes permanent deformation in the material. An ice hockey stick becomes useless if it breaks apart. Before breaking it must have taken a lot of damage, thus having fractures and cracks in it. Fracture toughness describes the material s ability to resist fracture while containing cracks. This is an important indicator as it is inevitable for a hockey stick to not have cracks in use. Also the density must be taken into consideration when choosing the material (Picture 2), because the stick has to be light enough for playing. Could you imagine a hockey stick made of steel? Hybrids: composites, foams, natural materials Metals and alloys Polymers and elastomers Picture 2: Densities of different materials The right weight, stiffness and flexibility of the stick varies depending on the player and his/her position in the field. For example an attacker needs a stick that is more rigid compared to a defender because the stiffer the material the stronger the shot. Micro and macro structure Let s go back to the basics of chemistry and examine the materials in a micro level. There are three different type of bonds between atoms: metallic, covalent and ionic bonds. Materials can be grouped into subgroups depending on their chemical bonds. Metallic bonds can be found in metals whereas ceramics have ionic and covalent bonds. Some materials have many types of chemical bonds between them, including many natural materials and composites. Metallic bond is formed between two metal atoms. A distinct feature of the metallic lattice of atoms is its delocalized electrons. These electrons can freely move between atoms thus explaining the thermal and electrical conductivity of metals. Metallic bonds are also strong, which is why metals tend to have a high melting temperature. Due to their stiffness and moldability in high temperatures metals could be used as raw material in making a hockey stick. However, there are other features which are not desirable and convenient for a hockey stick. These include their high density, electrical conductivity and corrosion. Covalent and ionic bonds are strong and require a huge amount of energy for them to break. This explains the high melting points of ceramics. Unlike metals, ceramics are fragile and break apart easily. This makes them unfit as a hockey stick material. In addition to the bonds between atoms, there are different types of bonds between molecules. One of them is the Van der waals bond. Generally, these bonds are weaker than the bonds between atoms. This explains why polymers break down in lower temperatures than ceramics and metals. Furthermore, polymers cannot withstand as much as strain and stress as metals. As mentioned above many natural materials and composites have both metallic and covalent bonds in them. For example wood combines the good qualities of both bonds. Its density is low compared to metals making it light and easy to handle. It is an insulator, has a high yield strength. Wood is commonly used as the material in making hockey sticks. Picture 3: Materials are separated by their fracture toughness and Young s modulus. The latter defines the ratio between strain and stress acted on the material. Summary As seen in the Picture 1, composites have a high fracture toughness and they can endure strain and stress. Carbon fiber reinforced composites (CFRP) is a type of composite that has a great stiffness and strength compared to other composites. In price, It is considerably more expensive but taking into consideration that it will last longer in use, it makes a great raw material for a hockey stick. Another option is the polyester-glass composites (GFRPs) which are used in making many sports equipments such as skis, skate boards and racguets. In conclusion, there is no one right answer. New materials are invented constantly. Today the best option might be composites mentioned above, but tomorrow there might be a new material which has better mechanical features in every way. [1] [2] [3] [4] &&id=2d23a9b181a6667a75e74a55c4847a4bb4476b0c&selectedindex=6&c cid=6eulcqe1&simid= &thid=oip.me9e b5e9f49 407f807f19cce23o0&ajaxhist=0 [5] CES Edupack 2016