Ohutlevytutkimuksen kärjessä 15 vuotta Johanna Hiljanen, Tiina Vuorio ja Jarmo Havula, HAMK Ohutlevykeskus Hämeen ammattikorkeakoulun vanhin osaamiskeskittymä, Ohutlevykeskus, on toiminut Hämeenlinnassa jo viisitoista vuotta. Ohutlevykeskus perustettiin HAMKin, Rautaruukki Oyj:n ja VTT:n yhteistyön tuloksena. Tavoitteena oli parantaa suomalaisen ohutlevyteollisuuden tuotteiden ja tuotannon kilpailukykyä teknistieteellisen tutkimuksen avulla. Vuosien aikana Ohutlevykeskus on vakiinnuttanut asemansa ohutlevyalan kansallisena, korkealuokkaisena tutkimus-, tuotekehitysja koulutuskeskuksena. Pääosaamisalueemme ovat ohutlevyn muovaukseen ja liittämiseen liittyvät tutkimuspalvelut, materiaalien ja pinnoitteiden kehitys, olosuhdetestaus sekä rakenteiden analysointi ja koekuormitukset. Ohutlevyjen lisäksi tutkimus on laajaa myös muiden materiaalien kuten paksumpien metallien, muovien ja komposiittien parissa. Vakiintunutta nimeä ei ole kuitenkaan haluttu vaihtaa. Korkeatasoista tutkimusta ja koulutusta Julkisrahoitteisten hankkeiden, HAMKin ja yritysten panostusten sekä teollisuuden kanssa yhteistyössä tehtävien pitkäkestoisten tutkimusprojektien avulla tutkimusedellytyksiä on vuosien aikana jatkuvasti pystytty lisäämään. Ohutlevykeskuksessa työskentelee nykyisin seitsemän henkilöä päätoimisesti tutkimuksen parissa. Heidän lisäksi harjoittelijoita ja opiskelijoita on tutkimusapulaisina ja opinnäytetöissä. Tietokonepohjaiseen kameramittaukseen perustuvat venymäanalyysit ja rajamuovattavuusmääritykset ovat esimerkkejä tutkimuspalveluista, joiden tarjoajana Ohutlevykeskus on ollut pisimpään Suomessa. Ohutlevykeskuksen tutkimusympäristö on erinomaisesti hyödynnettävissä myös ammattikorkeakouluopetuksessa, jossa opetus perustuu teorian ohella tutkimus- ja testauslaitteistojen käyttöön. Ohutlevykeskus vastaa teräsrakenteiden suunnittelua koskevasta koulutuksesta HAMKissa. Opintojaksoihin kuuluu erilaisia käytännön harjoituksia, jotka toteutetaan Ohutlevykeskuksessa. Osaamisalueillamme tarjoamme koulutusta myös yrityksille. Koulutus räätälöidään aina asiakkaan toiveiden mukaisesti. Ohutlevykeskus osana yritysten tuotekehitysverkostoa Ohutlevykeskus on nykyisin vahva osa usean yrityksen tuotekehitysverkostoa. Pitempikestoisten tutkimushankkeiden kuva 1. Ohutlevykeskus toimii Hämeenlinnan Moreenin teollisuusalueella. 10 OHUTLEVY 2/2013 www.ohutlevy.com
lisäksi teemme hyvin monenlaisten tuotteiden testausta lukuisissa yksittäisissä tilaustutkimuksissa. Testauslaitekantaa on pystytty lisäämään teollisuuden kanssa yhteistyössä tehtävien tutkimushankkeiden ja testaussopimusten avulla. Kaikella Ohutlevykeskuksen toiminnalla tähdätään suomalaisen teollisuuden tuotteiden ja tuotannon kilpailukyvyn säilyttämiseen, edelleen parantamiseen ja innovaatiotoiminnan edistämiseen. Tähän teoreettinen osaamisen ja suunnittelumenetelmien hallinta sekä moderni laitekanta antavat hyvät eväät. www.ohutlevy.com Ohutlevyjen muovaus ja liittäminen Metallin muovaaminen haluttuun muotoon ei ole aina yksinkertaista, vaan materiaali saattaa rikkoutua jo paljon ennen haluttua muotoa. Jotta voidaan vähentää yrityksen ja erehdyksen viemää aikaa, on kehitetty tutkimusmenetelmiä, joilla saadaan tietoa metallien muovattavuuden rajoista. Näitä tutkimuksia on toteutettu ja kehitetty Ohutlevykeskuksessa jo pitkään yhteistyössä yritysten kanssa. Muovattavuustutkimuksemme keskittyvät ohutlevytuotteen valmistettavuuden arvioimiseen ja muovattavuusparametrien määrittämiseen. Ohutlevykeskuksessa on kaksisylinterinen hydraulinen puristin, jossa yläsylinterin puristusvoiman maksimi on 2000 kn ja alasylinterin pidätysvoiman maksimi 1000 kn. Puristimeen on tehty mm. Nakajima- ja syvävetotyökalut (suorakaide ja sylinteri) sekä erityisesti autoteollisuudessa paljon käytettävä X-die- kuppitestien tekemiseen tarkoitettu työkalu. Puristimeen on mahdollista tehdä lisää työkaluja asiakkaiden tarpeiden mukaan. Materiaalien rajavetosuhteen, Erichsen-luvun määrittäminen ja reiänlaajennustestin tekeminen toteutetaan Erichsen-koneella. Rajamuovattavuuspiirroksen (FLD) avulla kuvataan ohutlevyn muovattavuutta. Piirroksia käytetään hyväksi ohutlevytuotteiden valmistettavuuden arvioinnissa ja numeeristen laskentatulosten vertailukohtana. Itse kappaleet muovataan puolipallon muotoisella Nakajima-työkalulla ja venymien mittaamisessa hyödynnetään venymäanalyysilaitteistoa. Ohutlevykeskuksessa on kolme venymäanalyysilaitteistoa: ASAME sekä GOMin Argus ja Aramis. Kaikki laitteistot perustuvat optiseen 3D-mittaukseen, joista AS- AME ja Argus ovat ei-reaaliaikaiseen venymämittaukseen perustuvia menetelmiä ja Aramis reaaliaikaiseen mittaukseen perustuva. Jälkimmäisellä saadaan tarpeellista tietoa koko testin ajalta ja näin tiettyyn testin hetkeen voidaan palata myös jälkikäteen, kun ensimmäisillä pystytään tarkastelemaan ainoastaan lopputulosta. Venymäanalyysilaitteistoja hyödynnetään myös silloin, kun halutaan tutkia muovatun ohutlevykappaleen venymätilaa ja siten arvioida muovauksen onnistumista. Muovatun kappaleen venymämittauksen avulla saatuja, kriittisiksi arvioitujen kohtien muokkausastetta verrataan käytetyn levymateriaalin rajamuovattavuuskäyrään. Levyaihion ja työkalujen väliset kitkaolosuhteet vaikuttavat merkittävästi muovatun ohutlevytuotteen valmistusprosessin onnistumiseen. Kitkaominaisuuksien tunteminen on tärkeää sekä muovausprosessien että ohutlevymateriaalien kehitystyössä. Ohutlevymateriaalin kitkaominaisuuksien tutkimiseen käytetään taivutusoikaisutestiä (BUT, Bending Under Tension), joka soveltuu hyvin eri ohutlevykuva 2. Lukuisat erilaiset työkalut mahdollistavat puristimen monipuolisen tutkimuskäytön. kuva 3. Muovaustutkimus on tärkeää kaikille metalleille. kuva 4. Korroosiokaappiin mahtuu monenmuotoisia ja -kokoisia näytteitä? OHUTLEVY 2/2013 11
kuva 5. Auringon UV-valo vahingoittaa erityisesti muovia ja kumia. tyypeille ja -pinnoitteille. Ohutlevykeskus on yksi harvoista tutkimusyksiköistä Suomessa, jossa tällaisia kitkamittauksia voidaan tehdä. Kitkakerrointa tarvitaan esimerkiksi muovaussimulointien lähtötietoina sekä eri ohutlevyjen ja niiden pinnoitteiden vertailussa. Kitkakertoimen määrittämisen lisäksi laite soveltuu hyvin erilaisten ohutlevytyyppien ja pinnoitteiden testaukseen sekä voitelun, työkalun muodon ja muovausnopeuden vaikutusten selvittämiseen. Koejärjestely itsessään kuvaa ohutlevyn käyttäytymistä syvävedossa vetorenkaan pyöristyksen kohdalla, sillä laitteessa jännitettyä ohutlevyliuskaa vedetään sylinterimäisen työkalun ympäri. Välisijavapailla teräksillä eli IF-teräksillä esiintyy raerajahaurautta, jossa murtuminen tapahtuu yleensä toisen muovausvaiheen yhteydessä, kun ensimmäisessä vaiheessa, kuten esimerkiksi syvävedossa, kappaleeseen on syntynyt suuria puristusjännityksiä. Ilmiötä kutsutaan SWE:ksi (Secondary Working Embrittlement) tai CWE:ksi (Cold Work Embrittlement). Haurautta voi esiintyä myös silloin, kun matalissa lämpötiloissa muovattu kappale altistetaan iskumaiselle kuormitukselle. Raerajahaurauden testaamista varten Ohutlevykeskuksessa on SWE-laite, jossa muovattu, metanoli-hiilihappojääkylvyssä jäähdytetty kappale nostetaan katkaistun kartiopinnan päälle, minkä jälkeen tietyltä korkeudelta pudotetaan tietyn painoinen massa kappaleen päälle. Tuloksena saadaan lämpötila, jossa kaikki testatut kupit säilyvät ehjänä. SWE-laitetta on mahdollista hyödyntää lisäksi esimerkiksi hitsisaumojen kestävyyden testaamisessa. Ohutlevykeskuksessa on mahdollista tutkia myös terästen vetyhaurautta. Vetyhauraustestin suorittamisessa oleellisinta on, kuinka nopeasti näyte saadaan leikattua aihiosta ja valmistettua haluttuun muotoon sekä laitettua jigiin vedon alaiseksi. Jos materiaalissa on vetyhaurautta, se näkyy kappaleen reunoissa halkeamina. Tavallisten ohutlevytuotteiden valmistuksessa käytettäviä liittämismenetelmiä ovat vastushitsaus, ruuvit, niittaus, puristusliittäminen, liimaus sekä eri menetelmien yhdistelmät eli hybridiliitokset. Ohutlevykeskus seuraa näiden menetelmien kehitystä ja siirtää kehitystyön tuloksia teollisuuden ja koulutuksen käyttöön. Tyypillisiä tutkimuspalveluja yritykselle ovat hitsattavuusalueiden määrittäminen (vastushitsaus), elektrodien kulutustestaus (vastushitsaus) sekä liitosten lujuuden määrittäminen (veto- ja leikkauslujuus). kuva 6. Värimittarilla seurataan materiaalin vanhenemista. Sää- ja olosuhdetestaus Ohutlevykeskuksessa on laaja testauslaitekanta materiaalien ja rakenteiden olosuhdetestaukseen. Tuotteen on säilytettävä siltä vaaditut ominaisuutensa suunnitellun käyttöikänsä ajan. Materiaaleihin ja rakenteisiin kohdistuvia rasituksia ovat esimerkiksi kosteus, auringonvalo, ilman epäpuhtaudet ja mekaaniset rasitukset kuten lumikuorma. Näiden rasitusten vaikutuksia tutkitaan olosuhdetesteillä ja nopeutetuilla laboratoriokokeilla. Nopeutetut testit ovat yleensä huomattavasti ankarampia kuin luonnossa tapahtuva todellinen rasitus, joten vaurioitumismekanismit eivät aina ole välttämättä samat kiihdytetyssä testissä ja todellisuudessa. Käytännössä kymmenien vuosien käyttöikävaatimusta ei kuitenkaan voida testata todellisuudessa ennen tuotteen myyntiä, joten nopeutetut testit ovat välttämättömiä. Tunnetuin nopeutettu testi lienee korroosiotesti, jossa 12 OHUTLEVY 2/2013 www.ohutlevy.com
www.ohutlevy.com kuva 7. Säärasituslaitteisto on Ohutlevykeskuksen uusimpia projekteja. kuva 8. Kuormituskehällä voidaan testata täysikokoisia rakenteita. kuva 9. Testaus suunnitellaan aina asiakaskohtaisesti. selvitetään tuotteen korroosionkestoa ja ruostumisalttiutta. Yleisimpiä testejä ovat jatkuva neutraali suolasumu ja syklinen proheesiotesti, mutta erilaisten tuotteiden testaukseen löytyy lukuisia eri standardeja. Korroosiotestien kesto riippuu täysin tutkittavista materiaaleista. Joillakin jo muutaman tunnin testiaika on riittävä, kun taas toisia testataan jopa muutama kuukausi. Testeissä tutkitaan paitsi ruosteen kertymistä tuotteisiin, myös niiden toimintaa testin aikana ja sen jälkeen. Lisäksi tarkastellaan, millaisia muutoksia pinnanlaadussa tapahtuu (pinnoitteen irtoaminen, kupliminen, halkeilu, hilseily jne.). Ohutlevykeskuksessa on kaksi Q-FOG-korroosiotestilaitetta, joilla pystytään tekemään sekä jatkuvia että syklisiä korroosiotestejä. Lisäksi laitekantaan kuuluu erityinen rikkidioksidikorroosiotestilaite Kesternich, joka simuloi happosateen vaikutusta materiaaleihin. Olosuhteet testikammiossa ovat hyvin ankarat, sillä kammiossa muodostuu rikkihappoa. Voimme toteuttaa myös erilaisia upotus- ja kemikaalinkestotestejä. Ulkona materiaalit joutuvat säännöllisesti tekemisiin kosteuden kanssa, josta suurin osa johtuu tiivistyneestä ilmankosteudesta eikä sateesta. Kondenssitesteissä tutkitaan tuotteiden kestoa tätä kosteutta vastaan. Laitteessa ilman suhteellinen kosteus on lähellä sataa prosenttia ja vesihöyry tiivistyy pisaroiksi näytteiden pintaan. Ohutlevykeskuksessa on kolme kondenssikaappia, joissa testataan useimmiten pinnoitteita, mutta myös erityisiä kosteudenestoon suunniteltuja tuotteita tai rakenteita, joiden kosteudenkestosta halutaan tietoa. Pinnoitteiden tapauksessa testin aikana ja jälkeen arvostellaan muun muassa kupliminen ja kiinnipysyminen, muita vaurioita voivat olla esimerkiksi värinmuutokset, pehmeneminen ja haurastuminen. Auringonvalo vaikuttaa erityisesti orgaanisten aineiden hajoamiseen; kukapa ei olisi nähnyt haalistunutta ja haurastunutta muoviämpäriä tai pulkkaa, joka on unohtunut koko kesäksi pihalle. Vaikka UV-valo kattaa vain noin 5 % auringonvalosta, se kuitenkin aiheuttaa suurimman osan orgaanisten aineiden (kuten maalit, lakat, muovit ja kumit) fotokemiallisesta hajoamisesta. Ohutlevykeskuksessa on kolme UV-laittetta, joissa auringonvalon vaikutus saadaan aikaan fluoresoivien UV-lamppujen avulla. Laitteissa voidaan käyttää erilaisia lamppuja valittujen standardien mukaan. UV-laitteessa simuloidaan auringonvalon lisäksi kondensoitumista. Laitteella saadaan nopeasti aikaan vahingot, jotka ulkona ilmestyisivät vasta kuukausien tai vuosien kuluttua. Tuotteissa havaittavia virheitä voivat olla muun muassa haalistuminen, liituuntuminen, lohkeilu, rakkuloiden muodostuminen, kiillon tai lujuuden katoaminen ja haurastuminen. Materiaalien käyttäytymistä nopeastikin vaihtuvissa oloissa voidaan tutkia sääkaapeissa, joissa lämpötilan ja kosteuden muutokset voidaan syklittää halutulla tavalla. Ohutlevykeskuksen sääkaapin lämpötilaa voidaan vaihdella -75 C:sta +180 C:een ja suhteellista kosteutta 10 %:sta 98 %:iin; molempien muutosnopeus on määritettävissä. Lämpötilamuutosten aiheuttama lämpölaajeneminen tai -kutistuminen voi vahingoittaa materiaaleja ja rakenteisiin jäävän veden ja kosteuden jäätyminen ja sulaminen voivat rasittaa rakennetta. Syklisillä lämpötilakokeilla voidaan selvittää tällaisten muutosten vaikutusta pitkäaikaiskestävyyteen. Ohutlevykeskuksella on kaksi ulkotestauskenttää, joissa voidaan tutkia tuotteiden kestoa luonnollisessa ympäristössä. Toinen kenttä on kaupunki-ilmastossa ja siellä voidaan tehdä myös kiihdytettyjä ulkotestejä. Toinen testialue sijaitsee maaseutuympäristössä metsän siimeksessä ja siellä testataan erityisesti kasvustonkestoa. Ulkotestaukseen voi laittaa kaikenmuotoisia ja -kokoisia näytteitä. Tuotteissa tapahtuvia muutoksia voimme seurata nykyaikaisilla laitteillamme. Väri- ja kiiltomittareita käytetään laajasti laadunvalvonnassa, ja värien ja kiillon muutoksia seurataan myös materiaalien vanhetessa. Materiaaleille ja pinnoitteille voidaan tehdä myös mikroskooppitarkasteluja ja pinta-energiamittauksia. OHUTLEVY 2/2013 13
kuva 10. Vetokoneissa käytettävät jigit helpottavat erilaisten kiinnikkeiden testausta. Säärasituslaitteisto Säärasituslaitteiston avulla voidaan tutkia rakenteiden ja rakennusten lämpö- ja kosteusteknistä toimintaa. Laitteistossa simuloidaan ulkoilman olosuhteita ja selvitetään niiden vaikutusta seinärakenteisiin. Säädettäviä tekijöitä ovat lämpötila, ilman suhteellinen kosteus, auringon säteily ja sadetus. Näin voidaan tarkastella muun muassa energiatehokkuutta, eristävyyttä ja rakenteen alttiutta kondensoitumiselle ja homeelle. Säärasituslaitteisto on rakennettu yhdessä HAMKin opiskelijoiden kanssa ja siitä on tehty lukuisia opinnäytetöitä. Testaamisen lisäksi rakenteiden energiatehokkuutta voidaan simuloida tietokoneen avulla. Ohutlevykeskuksen käytössä on Physibelin Trisco 12.0w -lämpölaskentaohjelma, jolla voidaan määrittää esim. 2D- tai 3D-rakenteiden lämmönläpäisykertoimia (U-arvo) sekä liitosten ja ikkunoiden vaikutusta rakenteiden energiatehokkuuteen. Koekuormitukset Rakennusteollisuuden ohutlevyrakenteiden tutkimus- ja tuotekehitystehtävistä on muodostunut merkittävä osa Ohutlevykeskuksen toimintaa. Koekuormitukset antavat todellisen kuvan rakenteiden käyttäytymisestä ja erilaisista vauriomekanismeista. Osa koekuormituksista tähtää uusien tuottei- den kehittämiseen, jolloin yhteistyössä asiakkaan kanssa haetaan ratkaisua kuormaa kantavaksi rakenteeksi tai sen osaksi. Osa koekuormituksista tähtää puolestaan esim. CЄhyväksynnän saamiseen tuotteelle. CЄ-hyväksyntään tähtäävä testaustoiminta onkin lisääntynyt merkittävästi uusien eurooppalaisten standardivaatimusten myötä. Koekuormituksia varten on Ohutlevykeskuksessa erilaisia kuormituskehiä, joilla voidaan tehdä staattisia ja dynaamisia (väsyttäviä) koekuormituksia täysimittakaavaisille rakenteille. Koekappaleet vaihtelevatkin isoista seinä- tai kattoelementeistä aina pieniin koneenosiin saakka. Kuormituskehillä on käytössä useita hydraulisia sylintereitä, joista suurimmat pystyvät tuottamaan 250 kn:n maksimikuorman. Tietokoneohjatut sylinterit mahdollistavat hyvin monimutkaisetkin kuormitusohjelmat. Koekohtaisesti voidaan ohjelmoida ajastettuja kuormituksia, säätää kuormituksen nopeutta tai ohjata kuormitusta siten, että koekappaleen määritellyssä kohdassa saavutetaan haluttu siirtymä ja siirtymänopeus. Dynaamisissa kuormituksissa maksimi saavutettava kuormitustaajuus riippuu rakenteen jäykkyydestä ja on normaalitilanteissa 1 20 Hz:n välillä. Vaikka pääosa tutkittavista ja testattavista rakenteista on kuormaa kantavia ohutlevyrakenteita, on vuosien mittaan tutkimus- ja testaustoiminta laajentunut kattamaan hyvinkin monenlaisia tuotteita, esimerkiksi erilaisia hitsattuja teräsrakenteita, komposiittimateriaaleja ja puurakenteita. Koekuormitukset kuten muutkin testauspalvelut räätälöidään aina asiakkaan tarpeiden mukaan. Pieniä kuormituksia voidaan tehdä myös vetokoneilla. Ne palvelevat muun muassa materiaaliominaisuuksien ja liitosten kestävyyksien määrittämisessä. Ohutlevykeskuksessa on kaksi vetokonetta, joilla voiman määrittäminen onnistuu hyvin tarkasti muutamasta newtonista aina 50 kn:iin asti; tarvittaessa ekstensiometrit takaavat tarkan venymämittauksen. Testattavat kappaleet voivat vaihdella ohuista muovikalvoista paksuihin teräskappaleisiin. Vetokoneilla on mahdollista tehdä veto- ja puristustestien lisäksi taivutustestejä. Testit on mahdollista suorittaa huoneenlämpötilan ohella korotetuissa ja matalissa (-80 C +250 C) lämpötiloissa olosuhdekammion avulla. Tavallisimpia vetokoneella tehtyjä testejä ovat materiaalien vetokokeet, liitosten (liima-, hitsi- ja mekaaniset liitokset) kestävyyden tutkiminen sekä ohutlevyprofiilien kuormitukset. Monimutkaisimpien kappaleiden ja testien tekeminen on vetokoneilla mahdollista tekemällä tarvittavia kiinnitysjigejä tai hyödyntämällä olemassa olevia lisätarvikkeita kuten esimerkiksi kitkamittauslaitetta. Ohutlevykeskuksen kattava laitekanta ja ammattitaitoinen henkilöstö mahdollistavat erittäin monipuoliset ja laadukkaat testit. Toimeksiannot ovat luottamuksellisia, ja testitulokset raportoidaan aina asiakkaalle kirjallisesti. Ota Ohutlevykeskukseen yhteyttä, kun olet testauspalveluita vailla! LISÄTIETOJA: www.hamk.fi/ohutlevykeskus 14 OHUTLEVY 2/2013 www.ohutlevy.com