Ohutlevytuotteita kaivoskäyttöön innovaatio Lapista TkL, tutkijayliopettaja Timo Kauppi, Kemi-Tornion ammattikorkeakoulu Yleensä kaivos tuo mieleen kaikkea muuta kuin tyypillisiä ohutlevyjen käyttösovelluksia. Rovaniemeläinen Heat-It Oy on tehnyt ennakkoluuttomasti markkinointi- ja tuotekehitystyötä, jonka tuloksena on syntynyt uudesta ruostumattomasta duplex teräksestä tehty pelastusyksikkö. Tuotteen kehityksessä ovat tiiviisti olleet mukana Kemi-Tornion ammattikorkeakoulun materiaalien käytettävyyden tutkimusryhmä, Totaldesign Oy, Torstec Oy ja Outokumpu Stainless Oy. Heat-it oy Heat-It Oy sijaitsee Rovaniemellä. Yrityksen päätoimialana on ensihoidon yhteydessä käytettävien lämpötuotteiden ja ratkaisujen kehitys ja myynti. Pelastusyksikön tarina sai alkunsa Kittilässä Suurikuusikon kaivoksella, jossa yrityksen toimitusjohtajalle Pekka Kilpeläiselle heitettiin haaste pelastuskontin toimittamisesta. Siihen asti käytössä olleet Kanadassa valmistetut pelastuskontit olivat muutaman vuoden käytön jälkeen kärsineet korroosiosta ja suomalaisia toimittajia ei ollut tiedossa. Pekka otti haasteen vastaan ja kevään 2012 aikana ensimmäiset maalatusta rakenneteräksestä tehdyt pelastusyksiköt näkivät päivänvalon. Pilottiyksiköt tehtiin ELY keskuksen rahoittamassa tuotekehitysprojektissa. Käytännön toteutus tehtiin Etelä-Suomalaisessa konepajassa vähäisellä suunnittelulla ja karkealla mitoituksella. Suunnittelussa toimi apuna Totaldesign Oy. Tässä vaiheessa tuli selväksi, että tuotteen kehittämisessä oli vielä paljon tehtävää saada tuote kannattavaksi liiketoiminnaksi. Vähäisin ongelma ei suinkaan ollut, että aiemmin puhtaasti hoitoalan tuotteita kehittänyt yritys oli tekemisissä täysin uuden toiminnan eli ohutlevytuotteen suunnittelun ja valmistuksen kanssa. Tuotekehitysverkosto Syksyllä 2012 yritys tutustui Kemi-Tornion ammattikorkeakoulun materiaalien käytettävyyden tutkimusryhmän toimintaan. Pian tämän jälkeen sovittiin ryhmän osallistumisesta seuraavan pelastuskonttiversion kehitystyöhön. Kemi-Tornion ammattikorkeakoulun materiaalien käytettävyyden tutkimusryhmä on osallistunut viime vuosien aikana useampaan yritysvetoiseen tuotekehitysprojektiin. Osaaminen kattaa suunnittelun, protovalmistuksen ja testauksen. Tässä toimeksiannossa Heat-It Oy:n projektiin tarttuivat allekirjoittanut, Kai Hurula ja Jouni Setälä. Aluksi paneuduttiin materiaalinvalintaan. Ruostumaton teräs nousi parhaaksi vaihtoehdoksi ja tämän myötä avattiin keskustelu Outokummun Tornion terästehtaan kanssa. Kuva 1. Heat-It Oy:n maanalainen pelastusyksikkö todellisessa käyttöympäristössään Suurikuusikon kultakaivoksella. Tuotepäällikkö Pasi Aspegren ja tutkimus- ja kehitysjohtaja Mikko Ylitalo suosittelivat käyttämään pelastuskontin rungon rakennemateriaalina uutta austeniittis-ferriittistä FDX laatua. Tarkemman rakennesuunnittelun pohjana toimi jo aiemmissa kehitysaiheissa mukana olleen Heikki Koivurovan Totaldesign Oy:n tekemä hahmomalli. Prototyyppiyksiköiden toteuttajaksi valikoitui Torniolainen metallialan yritys Torstec Oy, joka on erikoistunut räätälöityjen jaloteräsvalmisteiden suunnitteluun ja valmistukseen. Yrityksen toimitusjohtaja Pertti Sarja oli mielenkiinnolla mukana tämänkaltaisessa kehitysprojektissa. Maanalainen pelastusyksikkö Kaivosten turvallisuusriskien hallinnassa maanalaiset pelastusyksiköt ovat yksi tärkeä kokonaisuus, joihin esim. tulipalon sattuessa työntekijät voivat siirtyä ja ovat turvassa, OHUTLEVY 2/2013 27
Kuva 2. Pelastuskontin 3D malli ja osan A2472284U (pohjapalkki) työkuva. kunnes tilanne on ohi ja olosuhteet riittävän hyvät vaaraalueelta poistumiseen. Tällaisesta tapauksesta saatiin esimerkki tammikuussa 2013, kun Ilomantsissa sijaitsevassa Pampalon kultakaivoksessa kaivinkoneen päälle pudonneet sähkökaapelit sytyttivät sen tuleen 160 metrin syvyydessä. Miehistö pelastautui kaivoksessa 340 metrin syvyydessä olleeseen pelastuskonttiin, josta pelastuslaitoksen savusukeltajat veivät heidät turvaan. Kentällä on käytössä rakenteeltaan monentasoisia ratkaisuja. Heat-It Oy:n maanalainen pelastusyksikkö edustaa toiminnoiltaan ja käytettävyydeltään ehdottomasti korkeinta laatutasoa. Pelastusyksikölle esitettiin mm. seuraavanlaisia käyttövaatimuksia: rakenteen pitää olla kaasutiivis sisäilman tulee täyttää tietyt puhtausvaatimukset sitä joudutaan puhdistamaan tarkoituksenmukaisilla laitteilla viidentoista henkilön pitää pystyä olemaan pelastuskontissa yhtäjaksoisesti 72h. Projektin läpivienti Projektin alussa tehtiin selkeä työnjako toimijoiden kesken. Heat-It Oy prototyypin tilaajana vastasi asiakasvaatimusten keräämisestä ja osallistui rakennesuunnittelua edeltäneen vaatimusmäärittelyn tekemiseen. Materiaalien käytettävyyden tutkimusryhmän vastuulla oli 3D mallinnus ja sitä hyödyntäen mitoituksen ja työpiirustusten tekeminen. Kuvassa 2 nähdään esimerkki tehdystä 3D mallista ja siitä irrotetusta työpiirustuksesta. Torstec Oy vastasi toimittajan ominaisuudessa pelastuskontin prototyypin valmistuksesta määriteltyyn valmiusasteeseen saakka sovittuun määräaikaan mennessä. Outokumpu Stainless Oy vastasi vaatimusten mukaisten FDX levyjen toimittamisesta Kemi-Tornion ammattikorkeakouluun JaloteräsStudiolle Tornioon. Tuotekehitysprojekti vietiin läpi tiukalla aikataululla. Toimeksiannosta ensimmäisen pelastuskontin valmistumiseen meni kymmenen kalenteriviikkoa. Materiaalinvalinnan kriteerit Olosuhteet pelastuskontin sijoituspaikassa eivät ole helpoimmasta päästä. Kaivosolosuhteissa vaikuttaa kosteus, räjäytysten sekä louhitun malmin siirrosta aiheutuva pölynmuodostus. Kuten aiemmin todettiin, hiiliteräksestä tehdyt kontit olivat kärsineet korroosiovaurioista jo muutaman vuoden käytön jälkeen. Paikallisetkin vauriot ovat vakavia, sillä niistä voi seurata kaasutiiviyden menetys. Materiaalinvalintaa tehtäessä allekirjoittanut otti ruostumattoman teräksen käytön esille yhtenä vaihtoehtona. Hyviä ja huonoja puolia kirjattaessa ruostumattomalle teräkselle syntyi seuraava luettelo: + hyvä korroosionkestävyys - korkea hinta + lähes huoltovapaa - pieni lujuus + hyvä hitsattavuus - vetely hitsattaessa + kulutuskestävä pinta - käsittely vaatii kokemusta Outokumpu Stainless Oy Tornion tehtailla käydyissä keskusteluissa löydettiin ratkaisu kolmeen ensimmäiseen ongelmakohtaan - vähänikkelisen austeniittis-ferriittisen ruostumattoman teräksen käyttö. Vaihtoehtoina tällöin olivat nk. lean duplex (LDX 2101 tai 2404) tai vielä tuotekehitysvaiheessa ollut FDX25. Nämä ovat raaka-ainepohjaltaan sellaisia, että niiden hinta on kilpailukykyinen verrattuna esim. normaaliin EN 1.4301 teräkseen. Lujuus on normaaleja rakenneteräksiä (S235, S355) selvästi korkeampi, mikä mahdollistaa ohuemman materiaalin käytön ja sitä kautta kustannussäästöä. Austeniittis-ferriittisenä teräksenä muodonmuutokset hitsauksessa ovat huomattavasti austeniittisia teräksiä maltillisempia. Torstec Oy oli jo tekemissään toimeksiannoissa törmännyt useasti austeniittis-ferriittisiin ruostumattomiin teräksiin ja niiden käsittelyyn, mikä tietysti ratkaisi viimeisenkin ongelmakohteiksi kirjatuista asioista. 28 OHUTLEVY 2/2013
Materiaalinvalintaprosessin lopputuloksena päädyttiin käyttämään uutta, markkinoille tänä keväänä julkistettua FDX terästä, jota Tornion tehtailla oli tehty koesulatus tuotannossa. Samalla päätettiin tehdä verrokkikontti LDX2101 teräksestä. Suunnittelupöydältä prototyypiksi Rakennesuunnittelun lähtökohtana oli Heikki Koivurovan tekemä hahmomalli, josta ilmenivät lähinnä päämitat (pituus, korkeus ja leveys) ja mittasuhteet. Materiaalin paksuus oli runkorakenteen osalta määritelty tilaajan puolelta s = 3mm. Tällä ja seinien kaarevilla muodoilla haettiin paineiskujen sietokykyä. Suunnittelutehtävä olikin haastava työ sitä tehneelle Jouni Setälälle. Konseptitasoisten luonnosten pohjalta suunnitteluprosessin tuloksena syntyivät työpiirustukset yli 200 pelastuskontin osasta ja komponentista. Työ osoitti jälleen kerran 3D suunnittelun ylivoimaisuuden perinteiseen CAD työskentelyyn verrattuna. Esimerkiksi kaikki osien sovitukset voitiin tarkistaa jo suunnittelupöydän ääressä. Osaa kuvista päivitettiin ensimmäisen prototyypin valmistuksen jälkeen saatujen käyttäjäkokemuksien perusteella. Valmistuksessa 3D mallia pystyttiin hyödyntämään tehokkaimmin JaloteräsStudiolla tehtyjen kombilevytyökeskuksella leikattujen osien tekemisessä ja niiden särmäämisen yhteydessä. Mittatarkat leikkeet ja särmätyt osat toimitettiin Torstec Oy:lle, jossa tehtiin pelastuskonttien prototyyppien hitsaustyöt ja kokoonpano. Yrityksellä on yli 20 vuoden kokemus ruostumattoman teräksen käsittelystä, mutta jotain uutta opittiin tämänkin toimeksiannon mukana. Austeniittis-ferriittisten hitsien jälkikäsittelyä varten jouduttiin tekemään peittaustestejä parhaan mahdollisen lopputuloksen saavuttamiseksi. Kuva 3. Pelastuskontin prototyyppi kokoonpanossa. Torstec Oy:ltä pelastuskontin prototyyppi siirrettiin Rovaniemelle missä Heat-It Oy teki sen loppuvarustelun. Kuva 4. Maanalainen suojapaikka. Valmis kokonaisuus Ensimmäinen pelastusyksikkö valmistui suurin piirtein sovitussa aikataulussa. Pelastusyksikkö koostuu eteisestä ja oleskelutilasta. Kuvassa 4 nähdään sisävarustelua johon kuuluu mm hengitysilman puhdistin (1), lämmitys (2), suojavaatteita (3) ja tuoleja (4). Oleskelutilassa on tilaa 15 henkilölle. Tilaan mahtuvat retkituolit, joiden selkänojaa on mahdollista kallistaa. Seinillä on 4 kpl makuupaikkoja, jotka toimivat myös hyllyinä. Muovilaatikoihin voidaan laittaa esim. vettä, ruokaa, saniteettivälineitä, lämpöpakkauksia, lämpöpeitteitä sekä muuta viihtymisen mahdollistavia välineitä. Laatikot toimivat tarvittaessa pöytinä. Eteisessä on kemiallinen wc, joka on mahdollista tyhjentää toiminnan aikana poistoputkeen, joka johtaa ulkona olevaan 4 m pitkään säkkiin. Pelastuskontissa on myös roskille tarkoitettu poistoputki. Eteiseen on sijoitettu myös 4 kpl 50 l lääkehappipulloja, jakotukki, paine- ja virtausmittarit sekä happilinjan tyhjennysmahdollisuus pullojen vaihdon mahdollistamiseksi. Ilmanpuhdistuslaite huolehtii hiilidioksidin poistamisesta hengitysilmasta ja siinä olevalla virtausmittarilla lisätään hengitysilmaan lääkkeellistä happea henkilömäärän mukaan. Yksikössä on akut, jolloin pelastuskontti voi koko- Kuvassa 6 on näkymä oviaukolle, kuvassa numeroituna ilmakuivain (5), akku (6), sulaketaulu (7) ja sähkökeskus (8). naisuudessaan toimia ilman maasähköä.kuvassa 6 nähdään ensimmäisen ruostumattomasta teräksestä tehdyn pelastusyksikön nostoa kuljetukseen kohti loppusijoituskohdetta. Terästehdas tiiviisti mukana kehitystyössä Outokumpu Stainless Oy Tornion tehtaiden kannalta tämä kehitysprojekti oli ainutlaatuinen tilaisuus testata heillä tuotekehitysvaiheessa olevaa teräslaatua todellisessa ja vaati- OHUTLEVY 2/2013 29
Kuva 6. Pelastusyksikkö lähdössä loppusijoituskohteeseen. vassa sovelluskohteessa. Prototyyppikonttien tiukka aikataulu asetti haasteita myös terästehtaan joustavuudelle. Kehitysinsinööri Mikko Palosaari valvoi henkilökohtaisesti materiaalin matkaa sulatolta prosessin läpi aina leikkauslinjoille saakka. Teräs sai lopullisen paksuutensa kuuluisalla RAP5 linjalla, joka on maailman tehokkain kylmävalssatun ruostumattoman nauhan tuotantoyksikkö paksuusalueella 1.5 3.0 mm. Heat-It Oy:lle tämänkaltainen toiminta osoitti sen, että Outokummun Tornion teräsmammutti välittää aidosti tuotteittensa jatkojalostajista ja on valmis jakamaan tietoa ja antamaan teknistä tukea yrityksen kokoon katsomatta. Outokummun edustajia kävi seuraamassa kokoonpanoa Torstec Oy:n tiloissa. Käyntien aikana oli hyvä keskustella materiaalin käyttäytymisestä valmistuksessa ja havainnoida vaikkapa päittäishitsin onnistumisen yksityiskohtia suoraan tekijöiden kanssa. Kemi-Tornion ammattikorkeakoulun materiaalien käytettävyyden tutkimusryhmä oli arvokkaana apuna tekemällä valmistusvaiheen käyttökokemuksien dokumentointia. Heat-it oy - kokemuksia verkoston käytöstä tuotekehityksessä Toimitusjohtaja Pekka Kilpeläinen toteaa projektista seuraavaa: Maanalaisen pelastusyksikön saattaminen piirustuspöydältä valmiiksi tuotteeksi vaatii paljon työtä. Meillä olikin jo kokemusta kolmesta mustan raudan pelastusyksikön rakentamista ja siinä yhteydessä todettiin, että rakentamisessa koko linja pitää olla aukoton. Asiantuntijat pitää kartoittaa ja sitouttaa hankkeeseen, ennen kuin uuden mallin kehitystyöhön ryhdytään. Olen ollut erittäin tyytyväinen tuotekehitystiimin: - Kemi-Tornion ammattikorkeakoulun, Outokumpu Stainless Oy:n ja Torstec Oy:n työhön. Tuotteen kehitys oli tehokasta, mutkatonta ja äärimmäisen ammattimaista. Tärkeinä yhteistyökumppaneina ovat olleet tuotteen loppukäyttäjät kuten Kittilän Suurikuusikon - ja Pahtavaaran kultakaivokset, joilta olemme saaneet käytännön tietoa tuotteen kehittämiseen. Lisäksi Kittilän kultakaivos on mahdollistanut aidoissa olosuhteissa henkilöillä toteutetun testauksen, joka antoi paljon uutta tietoa tuotekehitykseen. Torstec oy kokemukset tuotekehitystyöhön osallistumisesta Toimitusjohtaja Pertti Sarja toteaa projektista seuraavaa: Mukana olo kokoonpanosuunnittelun alusta lähtien mahdollisti käytettävissä olevan konekannan parhaan mahdollisen hyödyntämisen. Materiaalien saaminen määrämittaisina minimoi hukkamateriaalin määrän. Kontin kokoonpano sujui ilman suurempia ongelmia kiitos ammattitaitoisen suunnittelijan, asentajiemme ja hitsaajiemme. Pieniä muutoksia tehtiin lennosta ja jopa tunnin sisällä saatiin lisäosia. Tiedon kulku sovittiin hoidettavaksi kolmen henkilön kesken. Markus Sarja toimi yrityksemme osalta projektipäällikkönä Yhteistyö oli saumatonta projektin tuotekehitysverkoston kesken Kokoonpanotyö sinällään oli suhteellisen rutiinityötä, onhan takana kahdenkymmenen vuoden kokemus mitä erilaisemmista rst/hst -töistä. Faktaa tuotekehitysverkostosta Materiaalien käytettävyyden tutkimusryhmä toimii Kemi- Tornion ammattikorkeakoulun tekniikan TKI- resurssina. Aktiivinen toiminta on aloitettu 2008 vuoden alussa. Kemiin sijoitetut tutkimuslaitteistot edustavat parhainta saatavissa olevaa teknologiaa. Tuotekehityksen ja protovalmistuksen käytössä on Tornioon rakennettu JaloteräsStudio ja tarvittaessa myös Kemin ja Tornion ammattiopistojen metallialan henkilö- ja laiteresurssit. Outokumpu Stainless Oy, Tornion tehdas on Outokumpu konsernin suurin tuotantoyksikkö. Päätuotteita ovat kylmäja kuumavalssatut austeniittiset ja ferriittiset ruostumattomat nauhat. Torstec Oy eli Tornion Asennus Oy on 1989 perustettu, räätälöityjen jaloterästuotteiden suunnitteluun ja valmistukseen erikoistunut metallialan yritys. Tuotannollisen työn ohella toimintaan kuuluu tuotteiden asennus ja kunnossapito. 30 OHUTLEVY 2/2013
Joining_88x265_2013_Layout 1 20.08.2013 07:30 Seite 1 Totaldesign Oy on vuonna 1988 perustettu, Rovaniemellä ja Joensuussa toimiva tuotesuunnittelu- ja muotoilutoimisto. Yritys on erikoistunut liikkuvien työkoneiden, muovi- ja muovikomposiittituotteiden sekä erilaisten innovaatiolähtöisten konseptien tuotteistamiseen. Faktaa - ruostumattomat duplex teräkset Duplex teräksiksi kutsutaan austeniittis-ferriittisen kiderakenteen omaavia ruostumattomia teräksiä. Tälle teräsryhmälle on ominaista korkea mekaaninen lujuus ja hyvä korroosionkestävyys. Austeniittisia ruostumattomia teräksiä matalamman nikkelipitoisuuden ansiosta materiaalin hinnan vaihtelut ovat pienemmät, mikä helpottaa kustannusten arviointia pitkäkestoisissa rakennusprojekteissa. Korkea lujuus mahdollistaa ohuempien materiaalivahvuuksien käytön ja täten säästön materiaalikustannuksissa. Näiden ominaisuuksien ansiosta duplex teräksiä käytetään laajalti erilaisissa säiliö- ja tankkirakenteissa, joissa lujuuden ansiosta saavutetaan painonsäästöä. Duplex teräkset ovat erityisen suosittuja sellu- paperitekniikan sovelluksissa sekä kemian teollisuuden laitteistoissa. Yleisimpiä duplex teräksiä ovat teräslajit EN 1.4162 (LDX 2101), EN 1.4362) 2304 sekä EN 1.4462 (2205). Näiden lisäksi on kehitetty uudet FDX duplex teräkset, joiden muovattavuus on perinteisiä duplex teräksiä parempi. FDX-teräksissä yhdistyvät hyvä korroosionkestävyys, korkea lujuus sekä suuri murtovenymä. TOX - NIITTAUS ILMAN NIITTIÄ Laserleikkaus Teräs 0.5-20mm RST/HST 0.5-15mm Alumiini 0.5-8mm Alihankintaa teollisuudelle - tarkasti Levytyökeskustyöt Särmäys MIG-hitsaus Kokoonpanotyöt TOX -PYÖREÄ PISTE Metallilevyjen liittämis tekniikka soveltuu myös eri aineille ja paksuuksille samassa liitoksessa valmis liitos yhdellä työiskulla korvaa pistehitsauksen, ruuvauksen, niittauksen TOX -käsikoneet-, puristimet-, robotti-, automatiikka TERVETULOA MESSUKESKUKSEEN TEKNOLOGIA 13 MESSUILLE 1 3.10.2013 OSASTOLLEMME 6K60 TOX PRESSOTECHNIK OY Notkotie 36 F 21 00700 Helsinki puh. 050-5110203 ari.rauhala@elisanet.fi Nuolikatu 3, 20760 Piispanristi Puhelin 02 2421 666 www.aimovirtanen.fi www.tox-de.com OHUTLEVY 2/2013 31