ALIPAINEINJEKTIO JA RTM VALMISTUSMENETELMÄT VENETEOLLISUUDESSA - TUOTANTOTEHOKKUUDEN, PINNAN LAADUN JA RAKENTEIDEN KEHITTÄMINEN

ALIPAINEINJEKTIO JA RTM VALMISTUSMENETELMÄT VENETEOLLISUUDESSA - TUOTANTOTEHOKKUUDEN, PINNAN LAADUN JA RAKENTEIDEN KEHITTÄMINEN 1.10.2008 30.6.2011 LOPPURAPORTTI

Petri Pykäläinen Veikko Äikäs Tero Karttunen Markku Tanttu Jukka Ruuskanen Antti Ylhäinen Martti Kemppinen MAMK Materiaaliteknologian toimiala Kari Dufva Tommi Berg Mikko Esko Mikko Salonen Matti Hautala Kosti Rämö Jyrki Vuorinen TTY Muovi- ja Elastomeeritekniikan laboratorio 30.06.2011 Sisältö 1. Hankkeen kuvaus... 1 2. Hankkeen tavoitteet... 3 3. Hankkeen talous ja johtoryhmän kokoukset... 4 4. Simulointi... 6 5. Pinnanlaatu... 8 5.1 Kirjallisuusselvitys täyteaineen vaikutuksesta pinnanlaatuun... 8 5.2 Kannettavat optiset 3D-profilometrit... 8 5.3 Profilometrimittaukset Botnia Marinin laminaateista... 9 5.4 Light-RTM-kokeet veneenpenkkimuotilla... 11 5.5 Pinnanlaatukokeet alipaineinjektiolla... 15 6. Laminaattirakenteiden vaurionsietokyky... 16 7. Tuotantoprosessit... 23 7.1 Alihankinta leikattujen lujitteiden pakkauksen ja kuljetuksen optimointi... 23 7.2 Malli- ja muottimateriaalien käytettävyys... 24 8. Teknis-taloudellinen analyysi... 25 9. Julkaisut... 26 10. Liitteet... 27

1 1. Hankkeen kuvaus Lujitemuovisten veneiden valmistusteknologiat läntisissä teollisuusmaissa ovat murroksessa, koska perinteiset käsin- ja ruiskulaminointitekniikat kärsivät työvoiman kalleudesta ja saatavuusongelmista, suurista voc-päästöistä, sekä tuotteiden suuresta painosta. Suljetun muotin tekniikoilla voidaan päästä paljon tehokkaampaan materiaalinkäyttöön, kevyempiin tuotteisiin, sekä työturvallisempaan ja ympäristöystävällisempään valmistusprosessiin. Suljetun muotin tekniikoiden teknis-taloudelliset edut eivät kuitenkaan ole nykyisillä tuotantotekijöiden hinnoilla vielä kiistattomat ja venevalmistajien tilauskanta on ollut hankkeen alkaessa niin hyvä, että muutokseen ei ole ollut välitöntä tarvetta. Muutos ja erityisesti uusien tuotantomenetelmien optimointi tuo tullessaan paljon ratkaistavia ongelmia ja lisätyötä, johon venevalmistajilla ei ole aikaa paneutua. Niinpä hankkeessa on tarkoitus selvittää nykyisten tuotantotapojen todellinen kustannusrakenne, hakea erityyppisille osille vaihtoehtoisia, tehokkaampia suljetun muotin valmistusmenetelmiä, selvittää tuotantoteknologian siirtoa tuulivoima- ja autoteollisuuden menetelmistä soveltuvin osin, optimoida suljetun muotin tuotantomenetelmiä, kokeellisesti selvittää vaihtoehtoisten tuotantomenetelmien tuotteiden laatu ja todellinen kustannusrakenne sekä tutkittuun tietoon perustuen suositella yrityksille vaihtoehtoisia tuotantomenetelmiä. Resurssipulasyistä myös erilaisten veneteollisuuden pienosien, kuten kansien, luukkujen ja pienehköjen muoto-osien valmistus on useimmiten tehotonta: niitä valmistetaan ulkonäkö- ja yhtenäisyyssyistä samoin käsinlaminointi- ja leikkausmenetelmin kuin suuriakin muoto-osia, jolloin niiden valmistuksessa hukataan paljon käsityöaikaa ja osaamista, jota voitaisiin käyttää paljon paremminkin. Niinpä hankkeessa selvitetään nykymenettelyn todelliset kustannukset ja haetaan massatuotantomenetelmä- ja alihankintavaihtoehtoja pienosien kustannustehokkaaksi valmistamiseksi suomalaiselle veneteollisuudelle. Hankkeessa tutkittavia teknologioita ovat mm. Light-RTM ja alipaineinjektiomenetelmien optimointi numeerisella laskennalla, pinnan laadun hallinta ja muottiaikojen minimointi, pinnanlaatua parantavien uusien, vähäkutisteisten DCPD-hartsien käytön vaikutukset tuotteen kestävyyteen, muottien suunnittelu ja valmistus, lujitteiden leikkauksen ja ladonnan automatisointi, kustannustehokas alipaineistaminen, sekä valmistusmenetelmien simulointi sekä vertaileva teknistaloudellinen analyysi. Teknillisten simulointi- ja mittaustulosten lisäksi hankeryhmä pitää vertailevaa kustannuslaskentaa erityisen tärkeänä tehtävänä, koska todellisten kustannustekijöiden painottumisesta ei juuri ole täsmällistä tutkimustietoa, mutta sitäkin enemmän eri valmistusmenetelmien materiaalien ja laitteistojen toimittajien argumentteja sekä tuottajien intuitiivisia arvioita ja uskomuksia. Kesko Oyj:n hieman myöhemmin jättämässä yrityshankkeessa tullaan hyödyntämään tämän hankkeen tuloksia.

2 Suljetun muotin tekniikoissa taloudellisten tuotantomenetelmien kehittämisessä yhtenä keskeisenä vaatimuksena on lopputuotteen hyvän pinnan laadun saavuttaminen. Komposiittituotteen pinnanlaatuun vaikuttavia tekijöitä on tutkittu Mikkelin teknologiakeskus Oy:n vuonna 2007 päättyneessä hankkeessa, johon yritysosapuolina osallistuivat Ahlstrom Glasfibre Oy ja Ashland Suomi Oy. Hankkeessa luotiin hyvä pinnan laadun analysointimenetelmä ja tutkittiin hartsi- ja lujitemateriaalien vaikutusta pinnan laatuun laboratorio-olosuhteissa. Tässä hankkeessa pyrittiin siirtämään saavutetut tutkimustulokset tuotantomittakaavaan. Projekti toteutettiin rinnakkaishankkeena TTY/Materiaaliopin laitos/muovi- ja elastomeeritekniikka sekä Mikkelin ammattikorkeakoulun kanssa. MAMK:n hankkeen diaarinumero on Dno 1559/31/08. Vastaavasti TTY:n hankkeen diaarinumero on 1571/31/08. Hankkeessa oli mukana yhteistyöosapuolena myös Ranskan merentutkimuslaitoksen (Ifremer) materiaalintutkimus yksikkö (Materials & Structures Group).

3 2. Hankkeen tavoitteet Hankkeen päätavoitteena on veneteollisuuden lujitemuovituotannon kustannustehokkuuden ja tuotteiden laadun parantaminen. Hankkeen työvaiheita ovat: 1 Light-RTM ja alipaineinjektiomenetelmien simulointi (Simulointi) 2 Pinnan laadun parantaminen laboratorio-olosuhteissa (Pinnanlaatu) 3 Laboratoriossa valmistettujen laminaattirakenteiden vaurionsiedon kokeellinen arviointi. (Vaurionsieto) 4 Tuotantoprosessien optimointi: malli- ja muottimateriaalien selvittäminen, alihankintana leikattujen lujitteiden pakkaus ja kuljetus. (Tuotantoprosessit) 5 Light-RTM ja API menetelmien valmistusmenetelmien vertaileva teknis-taloudellinen analyysi. (Teknis-taloudellinen analyysi) 6 Uuden osaamisen synnyttäminen tutkimusyksiköihin, tutkimusalihankkijoille ja yhteistyöyrityksiin.

4 3. Hankkeen talous ja johtoryhmän kokoukset Mikkelin ammattikorkeakoulu Hankkeen rahoituspäätös 70090/08 saapui Mikkelin ammattikorkeakoululle 27.11.2008. Hanke käynnistettiin 1.1.2009. Hanke eteni tutkimussuunnitelman mukaisesti. Ostopalveluihin sijoitetuista ulkopuolisista testauspalveluista pystyttiin osa tekemään MAMK:n omassa laboratoriossa. Tämän vuoksi alkuperäisen budjetin ostopalveluista voitiin osa henkilöstön palkkoihin. Matkabudjetti ylittyi, koska JEC2010-messujen aikaan tapahtunut tulivuoren purkaus aiheutti lisäkustannuksia. Koska TTY pääsi aloittamaan oman osuutensa puoli vuotta myöhässä, jouduttiin hankkeelle anomaan jatkoaikaa 30.6.2011 asti. Hankkeen jatkoaika- ja tiliöintimuutoshakemus toimitettiin TEKESille 20.9.2010. Hankkeen toteutunut budjetti sekä yrityslaskutukset ovat taulukoissa 3.1 ja 3.2. Taulukko 3.1. MAMK/YTI-n hankkeen budjetti ja toteutuma Budjetoitu MAMK Dnro 1559/31/08 TEKES Budjettimuutos- Toteutunut Kustannuslaji Alkuperäinen ehdotus Rahapalkka 102 550 138 000 140 447 Henkilösivukustannukset 51 275 59 380 60 424 Yleiskustannukset 38 457 19 000 18 212 Matkat 5 400 9 000 8 146 Aineet ja tarvikkeet 7 318 6 000 5 824 Laiteostot - Ostettavat palvelut 51 380 25 000 23 850 Muut kustannukset - Yhteensä 256 380 256 380 256 903 Taulukko 3.2. MAMK/YTIn hankkeen rahoitus ja laskutukset Hankkeen yrityslaskutus Rahoitusosuudet Rahoitus-% 1. maksatus 2. maksatus pvm MAMK 30.11.2008 Ahlstrom Glassfibre 7 358 25,00 % 4 126 3 232 21.9.2010 Ashland 7 358 25,00 % - 7 358 15.12.2010 Konekesko 7 358 25,00 % 4 126 3 232 21.9.2010 Botnia 2 943 10,00 % 1 650 1 293 21.9.2010 Fiberline 2 943 10,00 % 1 650 1 293 21.9.2010 Trikatex 1 470 4,99 % 824 646 21.9.2010 Yhteensä 29 430 100,00 % 12 376 17 054

5 Tampereen teknillinen yliopisto Hankkeen rahoituspäätös 70091/08 saapui Tampereen Teknilliselle yliopistolle 28.11.2008. Hanke käynnistettiin 1.1.2009. Taulukoissa 3.3 ja 3.4 on esitetty TTY:n hankkeen toteutunut budjetti sekä yrityslaskutukset. Johtoryhmä kokoontui seuraavina ajankohtina: 5 26.1.2009 TTY Tampere 6 29.9.2009 MAMK Mikkeli 7 9.2.2010 MAMK Mikkeli 8 13.9.2010 MAMK Mikkeli 9 11.1.2011 TTY Tampere 10 20.5.2011 Ahlstrom Glassfibre Mikkeli 11 24.8.2011 Ahlstrom Glassfibre Mikkeli

6 4. Simulointi Kestomuovikomposiittien valmistuksessa suosituimpia valmistusmenetelmiä ovat olleet perinteiset käsin- ja ruiskulaminointi, mutta viime vuosina erityisesti huoli haihtuvista orgaanisista yhdisteistä on aiheuttanut sen, että suljetun muotin menetelmät ovat kasvattaneet suosiotaan. Suljetun muotin menetelmiä ovat paine- ja alipaineinjektio, jotka voivat olla vaikeita valmistusmenetelmiä johtuen hartsin monimutkaisesta virtauksesta lujitteiden läpi. Hartsi injektoidaan joko ali- tai ylipaineen avulla muottiin, johon on ladottu kuivat lujitteet. Hartsin virtausnopeus riippuu painegradientista, lujitteen permeabiliteetista ja hartsin viskositeetista. Yritys-erehdys-mentaliteetti tuotteita ja valmistusprosessia suunniteltaessa on kallista suuren materiaalihukan ja ylimääräisen työn vuoksi. Tietokoneavusteinen koneenpiirustus ja suunnittelu ovat mahdollistaneet suunnittelutyön tekemisen mallinnusohjelmien avulla. Markkinoilla on muutamia ohjelmia, jotka on tarkoitettu erityisesti paine- ja alipaineinjektion mallintamiseen. Näiden lisäksi voidaan käyttää yleisiä virtausmallinnusohjelmia, jotka eivät kuitenkaan huomioi suljetun muotin menetelmien erityispiirteitä. Mallinnus vaatii esitietoja muotin geometriasta, käytettävän lujitteen permeabiliteetista ja hartsin viskositeetista. Mallinnus voidaan tehdä joko kaksiulotteisilla kuorielementeillä tai kolmiulotteisilla tilavuuselementeillä käyttäen joko isotermistä- tai epäisotermistä analyysiä. Joissain ohjelmissa tilavuuselementit on kuitenkin saatavilla vain erillisellä moduulilla, samoin kuin epäisoterminen mallinnus. 2D-mallinnus on riittävän tarkka korkeapermeabiliteettisille ja ohuille kappaleille kun taas 3D-mallinnus soveltuu paksujen ja matalapermeabiliteettisten kappaleiden mallintamiseen. Epäisotermisellä mallinnuksella voidaan ottaa huomioon reaktiokinetiikan ja lämpötilan vaikutus hartsin viskositeettiin ja edelleen virtausnopeuteen. Hartsin virtauksen mallinnusohjelmat RTM- ja API-menetelmille -selvitystyössä käsiteltiin paineja alipaineinjektiomenetelmiä, sekä niiden mallintamiseen käytettäviä ohjelmia. Vapaasti lisensoitavat PAM-RTM ja RTM-Worx olivat ohjelmistoista kiinnostavimpia. PAM-RTM muodostaa yhdessä ESI-groupin muiden komposiittisuunnistelu-ohjelmien kanssa mielenkiintoisen tuoteperheen, jossa yhdistyvät lujuuslaskenta, lujitteiden ladonta ja hartsin injektointi. RTM- Worxilla on useita referenssejä RTM- ja API-menetelmien mallinnuksesta vene- ja ilmailuteollisuudesta, sekä materiaalikirjasto ja geometriaeditori. PAM-RTM ja RTM-Worxin Lisenssin hintaan kuuluu myös ohjelmistokoulutus. PAM-RTM:n ja RTM-Worxin yksinkertainen graafinen käyttöjärjestelmä on helposti opeteltavissa, eikä vaadi suunnittelijalta tuntemusta esimerkiksi elementtimenetelmistä. Pore-Flow ja LIMS ovat taas avoimempia ohjelmistoja räätälöitäväksi suunnittelijan käyttöön, mutta ne vaativat suunnittelijalta ohjelmointiosaamista.

7 Kuvassa 4.1 on PAM-RTM:llä simuloitu ja todellinen tilanne 17 s jälkeen hartsin virratessa muottiin. Kuva 4.1. Simuloitu muotin täyttyminen ja hartsirintama testissä ajanhetkellä 17s.

8 5. Pinnanlaatu 5.1 Kirjallisuusselvitys täyteaineen vaikutuksesta pinnanlaatuun Tällä selvitystyöllä kartoitettiin, mitä komposiittituotteiden pinnanlaatuun liittyviä tutkimuksia onmaailmassa tehty. Tarkoitus oli löytää vertailutietoa Veke-hankkeessa tehtävälle RTM- ja alipaineinjektiotuotteiden pinnanlaatututkimukselle. Erityisesti etsittiin tietoa täyteaineiden vaikutuksesta polyesterihartsi / lasikuitukomposiittituotteiden pinnanlaatuun. Kirjallisuusselvityksessä löydettyjen tutkimusten perusteella Low Profile-lisäaineet ovat kaikkein tehokkain polyesterihartsin kovettumisen aikaisen kutistuman kompensoijia. Tehokkaaseen kutistuman kompensointiin tarvittava LPA määrä vaihteli eri tutkimuksissa melko paljon. Schubel ym. mukaan RTM-tuotteista mitatut pinnankarheusarvot pienenivät LPA pitoisuuden lisääntyessä aina 30 p%:iin asti, kun taas Hayaty & Beheshtyn mukaan yli 6 %:n LPA pitoisuus heikentää isoftaalipolyesterihartsin kutistuman kompensointia. Molemmissa tutkimuksissa käytettiin LP-lisäaineena polyvinyyliasetaattia (PVA). Täytyy kuitenkin muistaa, että hartsin kutistuma on riippuvainen myös käytetystä polyesterityypistä, styreenin määrästä ja kovetusolosuhteista. Varsinaisista täyteaineista nanosavihiukkaset osoittautuivat tehokkaammaksi kutistuman kompensoijaksi kuin perinteinen kalsiumkarbonaattimineraali. Silikaatit toimivat suuren aspektisuhteensa ansiosta lujitteen tavoin ja ne estävät polymeerien liikkumista syntyvien ionivuorovaikutusten avulla. Suuripartikkeliset mineraalitäyteaineet toimivat vain reaktiivisen massan pienentäjinä, joten niillä on suurillakin pitoisuuksilla vain vähäinen vaikutus hartsin kutistumaan. Tutkimukset osoittivat, että erityisen hyvään pinnanlaatuun päästään ns. hybridilaminaateilla, joissa on LP-lisäaineen lisäksi 1 4 p% nanosavea sekoitettuna matriisiin. Nanosavihiukkasten käyttöön liittyy kuitenkin joitakin ongelmia, kuten silikaattien erkauttaminen (exfoliointi) toisistaan sekoitusvaiheessa ja kaupallisten partikkelien korkea hinta. Osion tuloksista on tarkemmin MAT09-40020-006 Kirjallisuusselvitys täyteaineen vaikutuksesta pinnanlaatuun -raportissa. 5.2 Kannettavat optiset 3D-profilometrit Selvitystyön tarkoituksena oli löytää soveltuvia mittausmenetelmiä veneen pinnanlaadun varmistamiseksi perinteisten koskettavien profilometrien lisäksi. Markkinoille on ilmestynyt lukuisia optisia ei-koskettavia profilometrejä. Vaikka näistä suurin osa niistä onkin pöytälaitteita, mahtuu valikoimaan muutama kannettava. Kannettavista profilometreistä käsiteltäväksi valittiin Sensofar PLμ 1300, NanoJURA NJ-Portable Surface Metrology System sekä NanoFocus μsurf Mobile. Laitteiden hinnat ovat 70 120k. Laitteiden ominaisuuksista on tarkemmin MAT09-40020-009 Kannettavat optiset 3D-profilometrit - selvitystyössä.

9 5.3 Profilometrimittaukset Botnia Marinin laminaateista Oy Botnia Marin Ab toimitti Mikkelin ammattikorkeakoululle venelaminaatteja, joiden pinnanlaatua tutkittiin optisen profilometrin avulla. Mittausten avulla pyrittiin selvittämään tuotannossa syntyvien veneiden tämänhetkinen pinnanlaatu. Lisäksi Laminaattien vanhenemista ja siitä johtuvaa pinnanlaadun huononemista simuloitiin jälkikovetuksen avulla. Mitattavana oli yhteensä kuusi laminaattia, joista kolme oli sandwich- ja kolme tasolaminaattia. Valkoinen sandwich laminaatti oli ainoana valmistettu alipaineinjektiolla. Muut oli tehty käsin laminoimalla. Mittalaitteena käytettiin FRT MicroProf merkkistä optista profilometriä, joka hyödyntää valkoisen valon eri aallonpituuksia pinnan topografian määrityksessä. Mittaustuloksista tarkasteltiin Ra- ja Wa arvoja, jotka kuvaavat pinnan keskimääräistä pinnankarheutta ja aaltomaisuutta. Kuva 5.3.1. Optinen profilometri FRT MicroProf

10 Kuva 5.3.2. Erään laminaatin mittaustulos Mittaustulokset on esitetty raportissa MAT09-40020-008 Profilometrimittaukset Botnia Marinin laminaateista

11 5.4 Light-RTM-kokeet veneen penkkimuotilla Erään Konekesko Oy:n valmistavan veneenpenkin lukko saattaa avautua itsestään käyttötilanteessa eli penkkiä on jäykistettävä. Valitettavasti veneen muut osat sekä varusteet estävät geometriamuutokset, joten jäykistäminen on tehtävä lujitteiden avulla. Lisäksi toivotaan parempaa pinnanlaatua. Osion työvaiheet ovat erilaisten lujitevaihtoehtojen testaus FE-simuloinnin avulla, parhaiten soveltuvien konstruktioiden injektointi LRTM-muotilla sekä valmiiden penkkien taivuttaminen laboratoriossa. Lopuksi penkistä leikatulle näytteelle tehdään pinnanlaatumittaus. Lujitevariaatioiden testaus FE-simuloinnin avulla Ensimmäisenä piti selvittää, millä lujiterakennevaihtoehdoilla saadaan penkkiä riittävästi jäykistettyä. Koska jokaisen rakennevariaatiolla olevan penkin valmistaminen ja testaus on hidasta ja kallista, voitiin FE-simuloinnin avulla selvittää soveltuvimmat vaihtoehdot. Lopulta erilaisia vaihtoehtoja tuli yhteensä 13kpl. Laskenta-ajan säästämiseksi mallinnettiin ainoastaan puolikas penkkiä. Toinen puolikas korvattiin symmetriaehdoilla. Kuvassa 5.4.1 on penkin FE-malli Kuva 5.4.1. Penkin FE-mallin rakenne

12 Penkkimalleja kuormitettiin staattisesti kahdella eri tavalla: - tapaus 1. Kolme 100kg painoista henkilöä istuu penkin päällä (kuvassa 5.4.2 punaiset ympyrät) - tapaus 2. Yksi 100kg painoinen henkilö seisoo yhdellä jalalla penkin etureunalla. (kuvassa etualalla oleva punainen neliö) Kuva 5.4.2. FE-mallin kuormitukset Laskennan tulosten perusteella vaahtovahvikkeella ei näyttäisi olevan sanottavaa vaikutusta penkin jäykkyyteen vaan jäykistäminen on tehtävä lujitteilla. Laskentatuloksista on tarkemmin raportissa MAT09-40020-005 Venepenkin lujitevaihtoehtojen FEM-analyysi.

13 Injektoinnit Penkkien injektoinnit suoritettiin MAMK:n komposiittilaboratorilla Fiberlinen toimittamalla muotilla. Muotin toimintaperiaate on näkyvissä kuvassa 5.4.3. Kuvassa 5.4.4. on muotti valmiina injektointiin. Vaikka laskentatulokset osoittivat, että vaahdolla ei ole jäykkyyden kannalta olennaista vaikutusta, päätettiin kuitenkin injektoinneissa pitää vaahto mukana. Testattavaksi rakenteeksi päätettiin ottaa perusrakenne, jossa penkin ulkopinnassa käytetään MultiFlow:ta ja sisäosassa CombiFlowta. Tarvittavana vahvikkeena käytettiin 1-2 UD-kerrosta, joka oli joko täyslevyisenä tai kapea nauhana penkin sisäpinnassa. Hartseina käytettiin G105:sta, S604 sekä kahta eri kalsiumkarbonaattiseosta. Yhteensä valmistettiin 7 penkkiä. Kuva 5.4.3. Penkin injektoinnin periaate Kuva 5.4.4. Muotti injektointivalmiudessa MAMK komposiittilaboratoriossa.

14 Taivutuskokeet ja pinnanlaatumittaukset Injektoiduille penkeille suoritettiin MAMK:n konelaboratoriossa taivutuskokeet. Taivutuskoetta varten rakennettiin puusta jigi, kuvassa 5.4.5. Kuormitusvoima tuotiin painimella, johon oli asennettu pallonivel. Kuormitusnopeus oli jokaisessa testissä 10 mm/min. Painimen ja penkin väliin asetettiin levyjä kuvaamaan erilaisia kuormitustapauksia. Penkin etureunan siirtymistä mittaamaan oli asetettu jousipalautteinen puikkoanturi. Puikko sijoitettiin 15 mm penkin alareunasta. Myös painimen siirtymä ja voima kirjattiin ylös. Kuvassa 5.4.6 on testijärjestelmä, jossa henkilö seisoo yhdellä jalalla. Lopuksi penkit kuormitettiin murtoon. Testin jälkeen koekappaleiden ehjistä kohdista leikattiin näytteet profilometrimittaukseen. Kuva 5.4.5. Taivutusjigi Kuva 5.4.6. Testijärjestelmä kuormitukselle, jossa henkilö seisoo yhdellä jalalla. Testitulokset sekä kustannusarviot löytyvät raporteista MAT09-40020-007, MAT09-40020-010 sekä MAT10-40020-001.

15 6. Pinnanlaatukokeet alipaineinjektiolla TTY:llä valmistettiin alipaineinjektiolla koesarja testilaminaatteja, joiden tarkoituksena oli tutkia veneen kyljen pinnankerheuden ja aaltomaisuuden vaihtelua laminaattirakenteen, materiaalien ja prosessiparametrien muuttuessa. Koekappaleiden referenssirakenteeksi valittiin kerroslevyrakenne, jonka katsottiin edustavan tyypillistä suurehkon lasikuitukomposiittirakenteisen moottoriveneen kyljen rakennetta. Myös valmistusmenetelmät ja työvaiheiden ajoitus pyrittiin valitsemaan niin, että valmistuksessa päästäisiin kokonaisuutena mahdollisimman lähelle todellista veneen kyljen rakennetta ja sen ominaisuuksia. Komposiittirakenteen valmistuksen yksityiskohtiin liittyen tehtiin yhteistyötä projektissa mukana olevien venealan yritysten kanssa. Kuva 6.1. Erään testilaminaatin pintakerrosten poikkileikkauskuva.

16 Koekappaleiden valmistus Koekappaleet valmistettiin tasomaisessa muotissa, jossa on mahdollisuus tarkkaan lämpötilan hallintaan vesikierron avulla. Muottipintana toimi lasilevy ja lämmön tasainen jakaminen muottiin varmistettiin valitsemalla alumiini muotin rungon materiaaliksi. Muottipinnan valinnalla pyrittiin varmistamaan, että muotin pinnanlaatu on kappaleen joka kohdassa ja myös kahden käytetyn muotin välillä samanlainen. Kuva 6.2. Kaksi muottia ennen injektoinnin aloittamista, oikealla lämpökameran kuva lämpötilan jakautumisesesta muotin alalla. Kaikki koekappaleet valmistettiin mahdollisimman samankaltaisella menetelmällä, jotta tulokset olisivat vertailukelpoisia keskenään. Kaikkien kappaleiden lujitteina käytettiin Ahlstromin tuotteita ja matriisiaineina Ashlandin tuotteita. Pintakerroksena käytettiin sinistä Ashland Maxguard gelcoatia, mikä levitettiin irroitusaineella käsiteltyyn muottipintaan käyttäen suoraa alumiinista pyyhinterää, johon on kiinteästi asetettu välys. Näin saatiin kaikkiin kappaleisiin koko pinta-alalle tasainen gelcoatkerros. Gelcoatin kuivumisen jälkeen pintaan levitettiin useimpiin koekappaleisiin barriercoatia sivelemällä. Tämän jälkeen valmistettiin pintalaminaatti. Pintalaminaatin lujitteet kostutettiin käsin sivelemällä ja telaamalla. Pintalaminaatin annettiin kovettua muotissa hyvin ennen alipaineinjektiota. Alipaineinjektiolaminaatti valmistettiin pintalaminaatin päälle asettelemalla muottiin kuivat lujitteet ja niiden sisään leikattu ja uritettu PVC vaahtolevy. Valmiin laminaatin annettiin kovettua muotissa ennen jälkikovetusta vähintään yhden kokonaisen vuorokauden ajan. Jälkikovetus suoritettiin lämpökaapissa 60 C lämpötilassa neljän tunnin ajan. Tällä käsittelyllä laminaattia pyrittiin vanhentamaan keinotekoisesti, jotta pintarakenteen erot saataisiin nopeasti esiin. Veneessä nämä muutokset tulevat esiin tyypillisesti hitaammin ja vasta sen jälkeen kun tuote on poistunut tehtaalta.

17 Pinnanlaatutestien tulokset ja tarkempi analyysi on esitetty tutkimusraportissa APIpinnnalaatutestit VEKE-projektissa. Ohessa kuitenkin esimerkkinä kaksi kuvaa pinnanlaatutesteistä, joissa vasemmalla näkyy verrokki ja oikealla eräs testattavana ollut lujiterakenne. Kuva 6.3. Kahden testikappaleen pinnanlaatumittauksen tulos; vasemmalla verrokki, oikealla lujiterakenne 3. Pienen ja suuren mittakaavan vaihtelu Pinnanlaatulaminaattien koekappaleiden tarkastelussa käytettiin myös TTY:llä itse kehitettyä yksinkertaista konenäköohjelmaa, jolla eroteltiin FFT-suodatuksen avulla pinnankorkeuden skannauskuvista pieni- ja suuritaajuinen vaihtelu erilleen. Tämä menetelmä mahdollistaa kuvien helpomman tulkinnan, koska menetelmä korostaa piirteitä, jotka voivat muuten jäädä peittoon satunnaiselta vaikuttavan vaihtelun alle. a) b) Kuva 6.4. Kahden testikappaleen API05 (a, verrokki) ja API10 (b, lujiterakenne 3) vertailukuvat. Kuvankäsittelymenetelmällä aikaansaaduista tuloksista voidaan erottaa kuvan 6.4. mukaisesti testikappaleesta a selvästi esimerkiksi 0/90 biaksiaalilujitteen aiheuttama ruutukuvio (vasemmanpuoleinen, tummempi kuva). Myös PVC-vaahtolevyn uritus on selvästi näkyvissä oikeanpuoleisissa, vaaleammissa kuvissa. Oikean reunan kuvista on selvästi vaikeampi havaita säännöllisiä kuvioita pinnnalaatulujitteen vaikutuksen ansiosta.

18 7. Laminaattirakenteiden vaurionsietokyky Osion tarkoituksena oli selvittää, kuinka paljon hartsityyppi, lujitetyyppi sekä lujitteiden ladonta vaikuttavat injektoidun lasikuitulaminaatin vaurionsietokykyyn. Eri hartseja oli yhteensä 12kpl. Testattavana lujitteena käytettiin Ahlstromin valmistamaa biaksiaalilujitetta, josta toisessa oli katkokuitumatto ja toinen oli ilman mattoa. Lujitteiden ladonnassa käytettiin symmetristä ladontaa sekä ladontaa, jossa lujitteet on pinottu kaikki samalla tavalla. Tutkimus tehtiin yhteistyössä ranskalaisten Ifremer-tutkimuslaitoksen sekä heidän spin-offyrityksensä Nautique Conseil Developpement (NCD):n kanssa. Testimenetelmiksi valittiin akustinen emissio, Mode I-repäisytesti sekä iskutesti. Koekappaleiden valmistus Kaikki testikoekappaleet valmistettiin Mikkelin ammattikorkeakoulun komposiittilaboratoriossa. Valtaosa laminaateista valmistettiin alipaineinjektiolla, kuva 7.1. Muutama laminaatti valmistettiin vertailun vuoksi käsinlaminoimalla. Testilaminaatit jälkikovetettiin, jonka jälkeen niistä leikattiin ja hiottiin koekappaleet. Kuva 7.1. Testilaminaattien injektointi käynnissä.

19 Akustinen Emissio Akustinen emissio on vetotesti, jossa voiman ja venymän mittauksen lisäksi kuunnellaan koekappaleen säröytymisestä aiheutuva ritinää kahdella akustisen emission anturilla. Mitattavia suureita ovat vetokimmomoduuli, venymä vaurion alkamishetkellä, jännitys vaurion alkamishetkellä, murtovenymä ja murtojännitys. Mittaukset suoritettiin Ifremerillä siten, että MAMK:n tai TTY:n tutkija suoritti testit Ifremerin laitteistolla Ranskassa osana eurooppalaista METRI-hanketta. Kuvassa 6.2 on akustinen emission mittaus käynnissä. Kuva 6.2. Akustisen emission mittaus käynnissä.

20 Mode I-Repäisytesti Lujitemuovilaminaatin delaminoitumisen vastustamiskyky määritetään mittaamalla säröneteneminen ja laskemalla kriittinen energian vapautumisaste standardin ISO 15024 mukaisesti nf G Ic 2ba Koekappaleen keskelle on valmistusvaiheessa tehty ohuella kalvolla alkusärö, jota pitkin särö etenee, kun koekappaletta vedetään kuvan 6.3 mukaisesti. Särön etenemistä seurataan visuaalisesti. Aina kun särö on edennyt 5mm, kirjataan kuormitusvoima ja pystysuuntainen avautuminen ylös. Testit suoritettiin Mikkelin ammattikorkeakoulun konelaboratoriossa. Kuva 6.3. Repäisytesti käynnissä.

21 Iskutestit Iskutestissä koelaminaattia vaurioitetaan pudottamalla teräspaino tietyltä korkeudelta. Laitteisto on kuvassa 6.4. Vaurioittamisen jälkeen laminaatti kuvataan ultraäänilaitteella. Saadusta C-scankuvasta (kuva 6.5) voidaan laskea vaurioituneen alueen pinta-ala. Iskutestit ja ultraääniskannaus suoritettiin Ifremerin laitteistolla METRI-ohjelman puitteissa. TTY:llä tehtiin vaurioituneen alueen halkileikkaus ja hionta, jonka jälkeen poikkileikkaukseen imeytettiin fluoresoivaa tunkeumanestettä ja vaurioalueet kuvattiin UV-valon avulla. TTY:llä kehitettiin LabView-ohjelmointikielellä helppokäyttöinen automaattinen kuvankäsittelyohjelma, jolla näytteiden vaurioalojen analyysi voidaan suorittaa vertailukelpoisella tavalla. Kuva 6.4. Iskutestilaitteisto (vas.) ja C-scan kuva testatusta laminaatista Poikkileikkausten vaurioanalyysin tuloksia verrattiin ultraääni C-scan tuloksiin ja niiden havaittiin vastaavan hyvin toisiaan. Poikkileikkauksissa tosin saatiin esiin myös pienten iskuenergioiden aiheuttamat vähäiset vauriot iskusitkeydeltään parhailla laminaateilla. Kuva 6.5. Ultraääni C-scan menetelmä. Alue skannataan mittapäällä ja tulos on 2D kuva.

22 Kuva 6.6. Vaurioituneen alueen poikkileikkaus ja yksi koesarja (oik.). Vaurioalue saadaan esiin UV-valossa fluoresoivaa tunkeumanestettä hyväksi käyttäen. Poikkileikkauskuvien analysointiin tarkoitettu ohjelma käsittelee normaalilla digikameralla otetut jpeg-kuvat kaksivärikuviksi ja laskee tietyin reunaehdoin vaurioituneen alueen mitat: leveys yläpinnasta (eli iskukappaleen osumapinnasta), leveys taustapinnasta (paikka missä ohuilla ja keskivahvoilla laminaateilla vaurio on suurin) ja vaurioalueen korkeus (voidaan arvioida vaurion ulottumista kappaleen läpi). Ohjelma kykenee käsittelemään sarja-ajona suuria määriä halkileikkauskuvia, joten sen käyttäminen on vaivatonta. Kuvien laatuun ja etenkin tasalaatuisuuteen tulee kuitenkin kiinnittää erityistä huomiota, jotta tulokset ovat vertailukelpoisia, eli kuvausolosuhteet on vakioitava. Testimenetelmistä on tarkempaa tietoa sekä varsinaiset tulokset ovat raportissa MAT10-40020-002 Damage resistance study of infusion laminates: Final summary

23 7. Tuotantoprosessit 7.1 Alihankinta leikattujen lujitteiden pakkauksen ja kuljetuksen optimointi Selvityksen tavoitteena oli selvittää Ab Trikatex Oy:lle alihankintana leikattavien lujitteiden pakkaukseen ja kuljettamiseen liittyviä laatu- ja kustannushaasteita. Selvityksen tavoitteena oli määritellä laadun kannalta paras ja kustannuksiltaan edullisin pakkaus. Lujitteiden pinottavuus, pakkauksen purkaminen, lujitteiden kastuminen ja lujitteiden merkitseminen asettavat lujitteiden pakkaukselle ja kuljetukselle omia erityisvaatimuksia, jotka kuitenkin ovat ratkaistavissa. Tärkeimmäksi kysymykseksi nouseekin onko lujitemateriaalin loppukäyttäjä valmis maksamaan tarpeeksi laatuseikkojen parantumisesta, kun vaihtoehtona on leikata itse ja välttää pakkauksen ja kuljetuksen mukanaan tuomat haasteet. Lujitteiden rullaus koetaan yleisesti lujitteiden viikkausta paremmaksi vaihtoehdoksi lujitteiden laadun säilymiseksi. Tehdyissä kokeissa havaittiin kuitenkin, että joillakin lujitteilla viikkaus on mahdollista oikein tehtynä. Viikkauksen vaikutus negatiivisesti lujitteen laatuun on hyvin materiaali- ja tapauskohtaista. Alihankinta leikattujen lujitteiden rispaantumisen ehkäisemiseen ei ole keksitty edullista menetelmää. Rispaantumista voidaan kuitenkin ehkäistä valitsemalla valmistuksen kannalta sopivat lujitteita ja lujitesuuntia ja välttämällä lujitteiden rasittumista pakkauksen ja kuljetuksen aikana. Lujitteiden oikeat säilytysolosuhteet on tarkasti määriteltyjä materiaalitoimittajien datalehdissä. Oikealla pakkauksella voidaan estää säilytysolosuhteiden vaihteluiden vaikutus lujitteiden laatuun. Oikea pakkaus toisaalta usein lisää kustannuksia pakkauksessa ja kuljetuksen sekä purun aikana. Ylilaadun välttäminen on yhtä tärkeää kustannuksien kannalta, kuin riittävän laadun takaaminen. Alihankintana leikatuille lujitteille ei ole yksiselitteisesti parasta kuljetusmuotoa, koska leikattujen lujitteiden muoto, materiaali, kuljetusmatka, kuljettava yritys ja sääolosuhteet vaihtelevat. Jos kuljetus tapahtuu suoraan materiaalin käyttäjälle puhtaassa, lämpötilavaihteluiltaan pienessä ja kosteusvaihteluilta suojatussa kuormatilassa sekä pakkaus suojaa lujitetta riittävästi mekaaniselta rasitukselta, on mahdollista käyttää edullisesti kertakäyttöisiä kuormalavoja ja lavakauluksia. Tällöin lujitteita ei tarvitse kääriä purkamista hankaloittavaan suojamuoviin. Jos kuljetuksen voidaan epäillä joutuvan alttiiksi lialle ja lämpötila- tai kosteusvaihteluille, on käytettävä suojamuovia lujitteiden ympärillä. Parhaisiin tuloksiin päästään kehittämällä lujitteita, pakkausta ja merkitsemismenettelyitä yhdessä materiaalin valmistajan ja materiaalin käyttäjän kanssa. Selvitystyöstä tarkemmin oheisissa tiedostoissa: MAT09-40020-001 Alihankintana leikattujen lasikuitulujitteiden pakkauksen ja kuljetuksen selvitys MAT09-40020-003 Alihankintana leikattujen lasikuitulujitteiden pakkauksen ja kuljetuksen kustannusanalyysien ohjeistus Pakkauksen ja kuljetuksen kustannukset esimerkeittäin -excel-laskentaohjelma