ÄLYKKÄIDEN RAKENTEIDEN KEHITTÄMINEN KOMPOSIITTI- JA PUURAKENTEIDEN OMINAISUUKSIEN PARANTAMISEKSI LOPPURAPORTTI Ville Orrenmaa Kai Hannonen 2010
SISÄLLYSLUETTELO 1. JOHDANTO... 1 2. ÄLYKKYS PUU- JA KOMPOSIITTIRAKENTEISSA... 2 3. PUURAKENTEIDEN ONGELMAT... 3 4. POTENTIAALISET ÄLYTEKNOLOGIAT JA RATKAISUT... 3 5. MAHDOLLISET SOVELLUSALUEET... 5 6. INNOSESSIO JA INNOLEIRI... 8 7. JATKOTOPIMENPITEET... 11 LÄHTEET... 12
1. JOHDANTO Selvityksen tarkoituksena on ollut kartoittaa puu- ja komposiittirakenteiden älykkäitä ominaisuuksien ja mahdollisuudet ominaisuuksien parantamiseksi. Lisäksi on pyritty selvittämään puu- ja komposiittirakenteiden tämänhetkisiä ongelmia ja potentiaalisia älyteknologioita. Käsiteltävät rakenteet on rajattu raportissa melko laajasti. Raportissa käsitellään pääosin puutuoteteollisuuden tuotteita, kuten rakennusten runkomateriaaleja, sisustusmateriaaleja ja huonekaluja. Mukana tarkastelussa ovat myös puukomposiittirakenteet, mutta puuta sisältämättömät komposiitit on jätetty tarkastelun ulkopuolelle. Funktionaalisten materiaalien käyttöä lujitemuovirakenteiden yhteydessä on käsitelty kattavasti aiemmin (VTT, 2004). Voidaan kuitenkin olettaa, että puurakenteisiin liittyvät ratkaisut ovat usein käyttökelpoisia myös muiden komposiittirakenteiden yhteydessä. Niin ikään älykkyys on rajattu tämän raportin yhteydessä melko laajasti. Tarkastelussa ovat mukana myös mm. adaptiiviset (adaptive) ja aistivat (sensory) rakenteet. Älykkyys määritellään tarkemmin raportin seuraavassa kappaleessa, mutta yleisellä tasolla älykäs rakenne on rakenne, joka reagoi ulkoiseen ärsykkeeseen halutulla tavalla. Raportti koostuu kuudesta kappaleesta. Johdantokappaleessa esitellään työn taustaa ja rajauksia. Raportin toisessa kappaleessa esitellään joitakin älykkyyden määritelmiä ja kartoitetaan älykkäiden puu- ja komposiittirakenteiden nykytilaa. Kolmannessa kappaleessa esitellään rakenteiden yleisesti tunnettuja ongelmia ja materiaalien käytön haasteita. Raportin neljäs kappale keskittyy potentiaalisiin älyteknologioihin, eli keinoihin joilla rakenteiden älykkyyttä voidaan lisätä. Viidennessä kappaleessa esitellään potentiaalisia älykkäiden ratkaisujen sovellusalueita ja esimerkkejä älykkäistä rakenteista. Kuudennessa kappaleessa käsitellään innosession ja innoleirin toteuttamista ja tuloksia. Seitsemännessä kappaleessa annetaan suosituksia jatkotoimenpiteistä ja raportin viimeisessä kappaleessa esitellään raportin perusteella tehdyt johtopäätökset. 1
2. ÄLYKKYS PUU- JA KOMPOSIITTIRAKENTEISSA Lähtökohtana älykkäiden rakenteiden määrittelylle käytetään tässä raportissa Wada et al. (1990) esittelemää älykkäiden rakenteiden viitekehystä. Määritelmän tausta on esitetty tarkemmin kuvassa 1. Kuva 1. Älykkäiden rakenteiden määritelmä (Wada et al. 1990) Aistivat (sensory) rakenteet kykenevät keräämään tietoa rakenteen tilasta ja adaptiiviset (adaptive) rakenteet pystyvät muuttamaan rakenteen ominaisuuksia aktuaattoreiden avulla. Näiden kahden ominaisuuksien leikkauksen muodostavat kontrolloidut (contorolled) rakenteet kykenevät täten reagoimaan ulkoiseen ärsykkeeseen. Osajoukkoon aktiiviset (active) rakenteet kuuluviin rakenteisiin sensorit ja aktuaattorit on integroitu osaksi rakennetta. Varsinaiset älykkäät (intelligent) rakenteet omaavat aktiivisten rakenteiden lisäksi kyvyn kognitiiviseen ja hierarkkiseen ominaisuuksien kontrollointiin. Esitetyn viitekehyksen mukaan älykäs rakenne on siis hyvin rajattu joukko ratkaisuita. Erittäin vähäisten älykkäiden puurakenteiden kaupallisten sovellusten vuoksi tässä raportissa termillä älykkyys viitataan kuitenkin myös mm. adaptoituviin ja aistiviin rakenteisiin. Älykkyys voidaan ymmärtää siis yleisenä viittauksena rakenteiden tietynlaisiin aktiivisiin ominaisuuksiin. Älykkyyden sijaan termi aktiivisuus kuvaa käsiteltäviä rakenteita useammassa tapauksessa paremmin. Tärkeimpänä tavoitteena on uusien ominaisuuksien liittäminen puutuoteteollisuuden tuotteisiin. Puurakenteiden yhteydessä älykkyydellä viitataan yleisesti kansanomaisesti tietyn kaltaiseen lisäarvoa tuottavaan ominaisuuteen. Esimerkkejä tällaisesta ovat mm. älytalot ja joidenkin puun passiivisten ominaisuuksien muuttaminen erilaisilla modifiointimenetelmillä. Edellä esitetyn älykkään rakenteen määritelmän mukaisia puurakenteita ei kuitenkaan vaikuttaisi olevan kaupallisesti laajasti saatavissa. Yleisesti käytössä olevia kaupallisia ratkaisuita ei löydetty myöskään adaptiivisiin tai kontrolloituihin rakenteisiin liittyen. 2
Metlan arvion mukaan puun käytön puutuoteteollisuudessa oletetaan laskevan Suomessa viidenneksen vuoden 2007 tasosta vuoteen 2020 mennessä. Metsäteollisuuden rakennemuutos ja kuluttajien muuttuvat tarpeet lisäävät tarvetta uusien ratkaisuiden kehittämiseksi puupohjaisiin tuotteisiin. Jalostusarvon nosto tai älykkyyden lisääminen tuotteisiin ovat esimerkkejä keinoista, joilla puutuoteteollisuus voi menestyä Suomessa myös jatkossa. Mm. vahvan ICT-sektorin vuoksi Suomella voidaan nähdä olevan myös suhteellista etua älykkäiden ratkaisuiden kehittämisessä kilpailijamaihin verrattuna. Kehitystä ohjaavana tekijänä tulee kuitenkin olla asiakkaan kokeman lisäarvon saavuttaminen. 3. PUURAKENTEIDEN ONGELMAT Tässä kappaleessa luodaan tiivis katsaus lähinnä puurakenteisiin liittyviin ongelmiin. Puurakenteiden ongelmat ovat yleisesti tunnettuja ja suurin osa niistä aiheutuu puumateriaalin ominaisuuksista. Ongelmia on perinteisesti ratkaistu esimerkiksi kyllästämällä tai ottamalla ominaisuudet huomioon jo puurakenteita suunniteltaessa. Oikeanlainen suunnittelu onkin edelleen tehokas keino puurakenteisiin liittyvien ongelmien ratkaisemiseksi. Puumateriaaliin, ja siten puurakenteisiin, tyypillisesti liittyviä ongelmia ovat lahoaminen, kosteuseläminen, halkeaminen, materiaalin epäjatkuvuuskohdat, valon ja kosteuden aiheuttamat ulkonäkömuutokset, likaantuminen ja rajalliset palonkesto-ominaisuudet. Suomessa vähemmän tunnettuihin ongelmiin kuuluvat esimerkiksi tuholaiseläimien kuten termiittien aiheuttamat ongelmat. Joissakin tapauksissa puun ei-toivottuihin ominaisuuksiin reagoidaan materiaalia vaihtamalla. Varsinaisina puurakenteiden ongelmina voidaan pitää esimerkiksi vähäistä standardointia rakentamisen yhteydessä, rakennusjärjestelmien puutteellisuutta, materiaalin ominaisuuksista johtuvia rajoitteita ja tiettyjä negatiivisia mielikuvia puurakenteiden kestävyydestä. Standardointi ja rakennusjärjestelmien puute eivät kuitenkaan ole ongelmia, jotka liittyisivät ainoastaan puurakentamiseen. Puurakenteiden ongelmien ratkaiseminen älykkäillä ominaisuuksilla on mahdollista, mutta sillä ei kuitenkaan välttämättä saavuteta merkittävää lisäarvoa asiakkaalle. Ongelmien ratkaiseminen perinteisillä menetelmillä on usein myös melko edullinen vaihtoehto puurakenteiden ominaisuuksien parantamiseksi. Parhaimmillaan rakenteisiin liittyvät ongelmat voidaan ratkaista ilman kustannuksia jo suunnitteluvaiheessa. 4. POTENTIAALISET ÄLYTEKNOLOGIAT JA RATKAISUT Tässä kappaleessa esitellään teknologioita, joita voidaan käyttää älykkyyden lisäämiseksi puurakentaeisiin. Kappaleen tarkoitus on esitellä erilaisia näkökulmia puurakenteiden ominaisuuksien parantamiseksi teknologian keinoin. Älyteknologiaa käytetään siis yleisnimityksenä keinolle, jolla voidaan lisätä puurakenteen älykkyyttä. Niin sanottujen älyteknologioiden kattava määrittely tai luettelu ei ole tässä yhteydessä mahdollista tai edes tarkoituksenmukaista, koska puurakenteiden yhteydessä kyseessä 3
voi olla tavanomaisten teknologioiden hyödyntäminen uudella tavalla rakenteiden ominaisuuksien parantamiseksi. Kuvassa 2. on esitetty eräs teknologioiden jaottelu. Puumateriaalin älykkäiden ominaisuuksien hyödyntäminen Puun ominaisuuksien modifiointi Elektroniikan integrointi puurakenteisiin Älykkäiden materiaalien yhdistäminen puurakenteisiin Kuva 2. Eräs teknologioiden jaottelu puurakenteiden ominaisuuksien parantamiseksi Puun ominaisuuksien älykäs hyödyntäminen Ensimmäisenä ja yksinkertaisimpana vaihtoehtona jaottelussa on tunnistettu puun ominaisuuksien älykäs hyödyntäminen. Puu on kasvaessaan älykäs materiaali, mutta osa sen älykkäistä ominaisuuksista menetetään kaadettaessa. Korjuun jälkeen jäljellejäävä älykäs ominaisuus on esimerkiksi materiaalin kyky tasata ympäristönsä kosteutta. Myös puusta haihtuvien orgaanisten yhdisteiden (VOC) terveysvaikutuksia voidaan pitää selkeästi lisäarvoa tuottavina ominaisuuksina. Puun ominaisuuksien modifioiminen Toisena keinona puun ominaisuuksien parantamiseksi on tunnistettu puun ominaisuuksien modifiointi. Tällaisissa tapauksissa puuhun pyritään lisäämään ominaisuuksia, tai sen olemassa olevia ominaisuuksia pyritään parantamaan muokkaamalla perusmateriaalia. Perinteisiä puun modifiointikeinoja ovat kemiallinen, terminen ja mekaaninen modifiointi, jotka eivät kuitenkaan yleisesti lisää puurakenteeseen älykkyyttä. Esimerkiksi homeen- ja lahonesto-ominaisuuksien paraneminen vaikuttaa materiaalin passiivisiin ominaisuuksiin. Älykkäiden ominaisuuksien lisäämiseksi rakenteet voidaan pinnoittaa funktionaalisia ominaisuuksia sisältävällä pinnoitteella, joista tyypillisenä esimerkkinä on likaa hylkivä pinnoite. Myös esimerkiksi värimuutospolymeerien tai kosteutta hylkivien pinnoitteiden käyttäminen voi luoda uusia mahdollisuuksia puurakenteiden sovelluksiin. Älykkyyttä voitaisiin mahdollisesti myös lisätä pinnoitteilla, jotka muuttavat ominaisuuksiaan sähkötai magneettikentän muutoksen seurauksena. Pinnoittamiseen liittyy myös painotekniikoiden kehittyminen, mikä voi johtaa uusiin mahdollisiin sovellusalueisiin. Pinnoittamisen lisäksi mahdollisuutena on myös puun impregnointi eli kyllästäminen jollakin funktionaalisella materiaalilla. Puuhun voitaisiin lisätä esimerkiksi, öljyjä, sähköä tai lämpöä johtavia polymeerejä ja muoveja, joiden impregnoinnista on olemassa myös käytännön sovelluksia. Impregnointi voisi mahdollistaa myös puun viskoelastisten ominaisuuksien säätämisen tai edistyneen lämmönhallinnan faasimuutosmateriaalien avulla. Puuta modifioimalla voidaan siis parantaa olemassa olevia ominaisuuksia tai lisätä kokonaan uusia älykkäitä ominaisuuksia. Elektroniikan integrointi Elektroniikan integrointi puurakenteisiin mahdollistaa mm. ulkoisen tiedon mittaamisen ja rakenteiden mukautumisen. Integroitava elektroniikka voidaan jakaa tiedon keräämisen suorittaviin antureihin ja vasteen aikaansaaviin aktuaattoreihin. Elektroniikan integroinnin yhteydessä RFID-menetelmän hyödyntäminen voidaan erottaa omaksi kokonaisuudekseen. 4
Olemassa olevia komponentteja voidaan liittää puurakenteisiin perinteisillä menetelmillä, mutta painettava elektroniikka luo uusia mahdollisuuksia komponenttien kustannustehokkaaseen hyödyntämiseen. Komposiittirakenteiden yhteydessä komponentteja on luonnollisesti mahdollista integroida suoraan perusmateriaaliin. Antureiden mittaamia suureita voivat olla mm. venymä, lämpötila, kosteus, asema ja kiihtyvyys. Venymän mittaus voi tapahtua esimerkiksi perinteisillä venymäantureilla, venymäliuskoilla tai funktionaalisilla materiaaleilla. Niin ikään lämpötilan mittaukseen on olemassa useita keinoja. Etenkin kosteuden mittaamista voidaan pitää potentiaalisena toimintona puurakenteiden yhteydessä. Kiihtyvyyttä on mahdollista mitata useilla kiihtyvyysanturityypeillä, ja rakenteiden aseman määrittäminen on mahdollista laskea kiihtyvyyden perusteella tai ulkoista referenssipistettä käyttäen. Kiihtyvyyden ja aseman mittauksen avulla voidaan saada tietoa rakenteiden sijainnista, mutta puurakenteiden yhteydessä sovellusalueet liittynevät lähinnä kunnonvalvontaan. Aktuaattorin tehtävänä on aikaansaada haluttu vaste ulkoiseen herätteeseen perustuen. Aktuaattoreina voidaan perinteisten ratkaisujen lisäksi käyttää esimerkiksi pietsosähköisiä materiaaleja, elektrostriktiivisiä materiaaleja tai magnetostriktiivisiä materiaaleja. Aktuaattorit voivat olla erillisiä komponentteja tai rakenteeseen integroitavia materiaaleja. RFID-teknologian hyödyntäminen on yksi keino älykkäiden ominaisuuksien kehittämiseksi olemassa olevaa elektroniikkaa lisäämällä. RFID voi tarjota mahdollisuuksia jäljitettävyyden tai seurannan parantamiseen, mutta yhdistettynä antureihin se tarjoaa myös mahdollisuuden informaation etälukemiseen. RFID:n käyttö on jo melko yleistä ja edullista, joten sen soveltaminen puurakenteiden ominaisuuksien parantamiseksi on lupaava mahdollisuus. Älykkäiden materiaalien yhdistäminen puurakenteisiin Älykkäiden materiaalien yhdistäminen puurakenteisiin on tunnistettu neljäntenä vaihtoehtona älykkäiden ominaisuuksien lisäämiseksi. Tällaisessa tapauksessa puurakenne toimii alustana, johon jokin muu älykäs tai funktionaalinen materiaali liitetään. Tyypillinen esimerkki älykkäästä materiaalista on ns. muistimetalli. Vaihtoehtoisesti puu voi olla vain yhtenä osana älykästä rakennetta. Puun pinta on esimerkiksi mahdollista käsitellä maalilla, joka reagoi värinmuutoksella lämpötilanvaihteluihin. Älykkäitä materiaaleja voidaan kuitenkin integroida myös puurakenteiden sisään, kuten vanerin viilujen väliin. Useita aiemmin käsiteltyjä materiaaleja voidaan käyttää myös yhdistämällä niitä puurakenteisiin. Esimerkiksi faasimuutosmateriaaleja voidaan impregnoinnin sijaan lisätä suoraan puulevyjen pinnalle. 5. MAHDOLLISET SOVELLUSALUEET Tässä kappaleessa esitellään älykkäiden puurakenteiden mahdollisia sovellusalueita. Todellisuudessa vain mielikuvitus on rajana uusia sovelluksia kehitettäessä, mutta tässä esitellyt alueet on asiantuntijahaastatteluiden perusteella koettu mahdollisiksi ja potentiaalisiksi. Viisi pääryhmää ovat rakenteiden kunnonvalvonta ja turvallisuus, rakentaminen ja talotekniikka, viihtyvyys, puun ominaisuuksien parantaminen ja jäljitettävyys. Painopiste on puurakentamisen tuotteissa. Pääryhmissä on joitakin 5
päällekkäisyyksiä, mutta ryhmittelyn tarkoituksena on lähinnä nostaa esiin lupaavia teemoja. Viiden pääryhmän lisäksi lupaavina sovellusalueina pidettiin myös mm. pakkausteollisuutta, uusien paperi- ja kartonkituotteiden kehittämistä ja painettavaa elektroniikkaa. Näiden alojen tutkimus ja kehittämistoiminta on kuitenkin melko aktiivista, joten tässä yhteydessä keskitytään lähinnä puutuoteteollisuuden sovellusalueisiin. Jokaisen sovellusalueitten yhteydessä esitellään esimerkkejä käytännön sovelluksista. Esimerkkisovellukset eivät välttämättä ole kaupallisesti käyttökelpoisia tai teknisesti toteutettavia, mutta niiden tarkoitus on havainnollistaa monipuolisesti älykkäiden rakenteiden mahdollisuuksia. Edellisessä kappaleessa esitellyt älyteknologiat, potentiaaliset sovellusalueet ja käytännön esimerkit on esitetty kuvan 3 matriisissa. Puumateriaalin älykkäiden ominaisuuksien hyödyntäminen Puun ominaisuuksien modifiointi Elektroniikan integrointi puurakenteisiin Älykkäiden materiaalien yhdistäminen puurakenteisiin Rakenteiden kunnonvalvonta ja turvallisuus -Aktiiviset palon- ja termiitinsuojamateriaalit -Kattopalkkien kunnonvalvonta antureilla -Etäluettava rakenteiden kosteudenvalvonta -Rakenteiden maalaaminen venymään reagoivalla maalilla Rakentaminen ja talotekniikka -Lattialämmitys sähkövastuksena toimivalla puulattialla -Faasimuutosmateriaalin impregnointi -Ikkunoihin integroidut varashälyttimet -Pintamateriaaleihin integroidut liikkeentunnistimet -Faasimuutosmateriaalien hyödyntäminen puurakenteissa lämmöntasaamiseen Viihtyvyys -Haihtuvien orgaanisten yhdisteiden terveysvaikutusten hyödyntäminen -Puun ominaisuuksien modifioiminen akustiikkalevyihin soveltuvaksi -Pientalon välipohjan äänenhallinta vastamelulla -Optisten efektien ja värinmuutosten aikaansaaminen älykkäillä materiaaleilla Puutuotteiden lisäarvoominaisuudet -Puun tehokas käyttäminen huoneilman kosteuden vaihteluiden tasaamiseen -Puun kyllästäminen muovilla kulutuskestävyyden parantamiseksi -Pihakalusteiden pinnoittaminen kosteutta hylkivillä pinnoitteilla Jäljitettävyys -Tuotteen alkuperän ja hiilijalanjäljen määrittäminen luotettavalla seurannalla -Rfid tunnisteen lisääminen rakennuskomponenttei hin Kuva 3. Älyteknologiat, potentiaaliset sovellusalueet ja esimerkkisovellukset -Tuotemerkin painaminen puutuotteisiin älymusteella Rakenteiden kunnonvalvonta ja turvallisuus Rakenteiden kunnonvalvontaa pidetään tyypillisenä esimerkkinä puurakenteen älykkyydestä. Turvallisuutta pidettiin lisäksi lupaavana teemana rakentamisen yhteydessä. Kunnonvalvonta voi liittyä esimerkiksi kattopalkin jännityksen ja muutosten valvontaan tai seinärakenteiden kosteudenvalvontaan. Kattopalkkien valvonta voidaan 6
toteuttaa antureilla esimerkiksi venymään tai akustiseen emissioon perustuen, mutta myös venymään reagoivien maalien käyttö voi olla mahdollista. Aktiivisella kosteudenvalvonnalla voitaisiin mahdollisesti reagoida aikaisessa vaiheessa syntyviin vaurioihin. Rakenteiden kunnonvalvonnassa korostuvat reaaliaikaisuus ja etäluettavuus. Kunnonvalvonnassa haastavaksi kysymykseksi nousee asiakkaan kokema lisäarvo. Asiakas ei välttämättä koe hyötyvänsä valvontajärjestelmästä niin paljon, että olisi valmis maksamaan järjestelmän asennuksesta johtuvat kustannukset. Näin ollen kunnonvalvonnalla saavutettava hyöty voisi liittyä esimerkiksi myyjän takuuehtojen valvontaan. Valvonnan lisäksi turvallisuutta voisi olla mahdollista parantaa esimerkiksi aktiivisemmilla termiitinsuojamateriaaleilla. Myös murtoturvallisuuden, tilanvalvonnan ja - analysoinnin tarpeen lisääntyminen tulevat vaikuttamaan tarvittaviin ratkaisuihin. Rakentaminen ja talotekniikka Passiivisesta puurakenteesta voidaan tehdä aktiivinen integroimalla siihen joitain rakenteelle uusia toimintoja. Toiminnot voivat olla olemassa olevia toimintoja, mutta lisäarvoa saavutetaan integroimalla ne kiinteäksi osaksi rakennetta. Esimerkkinä voidaan käyttää murtohälyttimen integroimista ikkunan puukarmeihin. Mielenkiintoisena energiatehokkuuteen liittyvänä sovelluksena voidaan nähdä myös faasimuutosmateriaalien käyttö osana puurakennetta. Toimintoja integroimalla voidaan tavoitella esimerkiksi kustannussäästöjä rakennusvaiheessa, tuotteiden parempaa ulkonäköä tai tuotteen parantuneita ominaisuuksia. Useissa tapauksissa kyseessä ei kuitenkaan ole varsinaisesti pelkästään puurakenteiden ominaisuuksien parantaminen, vaan toimintoja voidaan integroida rakenteeseen materiaalista riippumatta. Esimerkiksi pöytään yhdistetyssä induktiivisessa matkapuhelinlaturissa puu toimii vain alustana uudelle toiminnolle. Viihtyvyys Viihtyvyyttä parantavat ratkaisut koetaan yhtenä lupaavana sovellusalueen puurakenteiden älykkyyden lisäämisessä. Viihtyvyyteen liittyvät mm. terveysvaikutukset, akustiikka ja esteettiset ratkaisut. Puun tiedetään sisältävän terveyteen positiivisesti vaikuttavia ainesosia, mutta esimerkiksi niiden haihtumista puurakenteista ei tunneta kovin hyvin. Akustiikkaan liittyvillä ratkaisuilla voitaisiin mahdollisesti parantaa asuinrakennusten viihtyisyyttä. Tehokkaiden akustiikkalevyjen käyttö tai vastamelun käyttö puisten välipohjarakenteiden yhteydessä voidaan nähdä tällaisena. Vastamelu voisi mahdollistaa yksinkertaisempien ja halvempien välipohjarakenteiden käytön äänieristyksen parantuessa. Visuaalisten tehosteitten käyttäminen liittyy vahvasti rakentamisen sisustusmateriaaleihin ja huonekaluihin. Esimerkiksi lämpötilan tai sähkövirran mukaan väriä vaihtavat materiaalit mahdollistavat uudenlaisten tuotteiden valmistamisen. Voidaan myös olettaa, että kuluttajien maksuhalukkuus high-end huonekalujen ja sisustusmateriaalien älykkäistä ominaisuuksista on korkea Puun ominaisuuksien parantaminen Puun ominaisuuksien parantaminen liittyy olemassa olevien ominaisuuksien parantamiseen materiaalitasolla. Parantaminen liittyy usein materiaalin passiivisiin 7
ominaisuuksiin, mutta sovellusten katsotaan osittain kuuluvan tämän raportin aihepiiriin. Ominaisuuksia voidaan parantaa myös olemassa olevia ominaisuuksia korostamalla oikeanlaisen käsittelyn ja käytön avulla. Likaantumattomien tai kosteutta hylkivien pinnoitteiden käyttäminen on hyvä esimerkki funktionaalisten materiaalien käyttämisestä puurakenteiden yhteydessä. Puun pinnoittaminen em. tavoin on teknisesti mahdollista, mutta kaupallisia sovelluksia ei juuri ole olemassa. Itse korjaavien rakenteiden kehittäminen nähdään myös lupaavana mahdollisuutena. Eräs puumateriaalin älykkäistä ominaisuuksista on sen kyky tasata ympäristönsä ilmankosteutta. Esimerkiksi tätä ominaisuutta voidaan korostaa oikeanlaisella työstämisellä ja käsittelyllä. Ominaisuudesta on julkaistu tutkimuksia (Kokko 2004), mutta kaupallinen hyödyntäminen on jäänyt vähäiseksi. Jäljitettävyys Puurakenteiden jäljitettävyys on nostettu esille erillisenä älykkäiden rakenteiden sovellusalueena. Jäljitettävyys liittyy tällä hetkellä vahvasti RFID-tekniikkaan, mutta myös muita teknologisia ratkaisuja voidaan hyödyntää jäljitettävyyden parantamiseksi. Jäljitettävyyden ajureita ovat mm. kasvava ympäristötietoisuus, tuoteväärennösten lisääntyminen ja tarve kehittää tuotantoprosesseja. RFID-tekniikka mahdollistaa lisätiedon liittämisen puurakenteisiin edullisesti. Lisätieto voi koostua esimerkiksi tuotteen alkuperätiedoista, asennusohjeista varaosatiedoista tai käyttöohjeista. Periaatteessa myös tuoteväärennöksiltä suojautuminen on mahdollista. Toinen esimerkki tuotteiden suojaamisesta on tuotemerkin painaminen suoraan tuotteeseen musteella, joka näkyy esimerkiksi vain tietyssä valaistuksessa. 6. Innosessio ja Innoleiri Innosessio on päivän mittainen luova ongelmanratkaisumenetelmä, jossa pyritään ideoimaan uusia älykkäitä puutuotteita ja -rakenteita. Innosessioon valittiin monialainen asiantuntijaryhmä riittävän laajan näkemyksen aikaansaamiseksi. Tilaisuudessa yrityksiä edustivat: Amroy Europe Oy, Koskisen Oy, Repolar Oy ja Runtech Oy. Tutkimus- ja opetuslaitoksia edustivat: Teknillinen Korkekoulu (TKK), Pohjois Karjalan Ammattikorkekoulu (PKAMK) Valtion Teknilinen Tutkimuslaitos (VTT), Mikpolis Oy sekä Joensuun Tiedepuisto. Innosession tavoitteena oli kehittää tuoteaihioita, joita alan yritykset pystyvät jatkossa hyödyntämään. Ratkaisuideoilla pyrittiin vastaamaan kysymykseen Miten nerokkaita puuratkaisuita voitaisiin toteuttaa/hyödyntää/tarjota käyttäjän näkökulmasta? Ideointivaiheessa kirjattiin 44 ideaa, jotka on jaoteltiin viiteen ryhmään: sovellusalueet (9 kpl), valmistusmenetelmät (7 kpl), materiaalit (7 kpl), tuotteet (11 kpl) ja pinnoitteet (10 kpl). Innoleirille, joka oli kaksi päiväinen, kutsuttiin opiskelijoita eri koulutus ohjelmista: teollisen muotoilun koulutusohjelmaa (Mikkelin Ammattikorkeakoulu, MAMK, 7 opiskelijaa) ja Rakennustekniikan koulutusohjelma (Pohjoiskarjalan Amattikorkeakoulu,PKAMK, 8 opiskelijaa) 8
Ratkaisuideoilla pyrittiin vastaamaan kysymykseen Miten löytää uusia käyttökelpoisia sovelluksia puulle, sisältäen materiaaliominaisuudet: ekologisuus, haluttavuus, asiakasnäkökulma ja kilpailukyky. Ideointivaiheessa kirjattiin 46 ideaa, jotka jaoteltiin viiteen ryhmään: tuotteet (18 kpl), teknologiat (11 kpl), vapaa-aika/terveydenhuolto/koulutus (10 kpl), viranomaiset/ lainsäädäntö/julkisuus (3 kpl) ja rakentaminen (4 kpl). Leiripäivien välillä tehtiin 3 välityötä: Komposiittirakenteiset katelevyt, Puutekstiilit ja Muovipakkausten korvaaminen puusta valmistetuilla biohajoavilla pakkauksilla. Kopiot välitöistä saa pyydettäessä KHa:lta (kai.hannonen@miktech.fi) 7. JATKOTOIMENPITEET Selvityksen yhteydessä on pyritty luomaan käsitys älykkäiden puurakenteiden kehittämisen edistämiseen tarvittavista jatkotoimenpiteistä. Muita mahdollisia Uusiutuva metsäteollisuus klusteriohjelman puitteissa tehtäviä toimenpiteitä älykkäiden puurakenteiden kehittämiseksi ovat yritysten aktivoiminen, aihealueesta kiinnostuneiden yritysten kartoittaminen, laajapohjainen workshop, syvällinen jatkoselvitys ja yhteistyö muiden sidosryhmien kanssa. Mahdollisia jatkotoimenpiteitä on esitetty aikajanalla kuvassa 4. Innoleiri Esiselvitys Innosessio Yritysten kartoitta minen Workshop Jatkohankkeet Kansainvälisen tilanteen kartoittaminen Yritysten aktivoiminen Yhteistyö sidosryhmien kanssa 2009 2010 2011 Kuva 4. Mahdollisia jatkotoimenpiteitä älykkäiden puurakenteiden edistämiseksi Kiinnostuneitten yritysten kartoittaminen Projektin ensimmäisten vaiheiden aikana selvitetään älykkäiden rakenteiden mahdollisuuksia ja ideoidaan uusia sovellusalueita ja tuoteaihioita. Näiden vaiheiden jälkeen on olennaista kartoittaa aihealueesta kiinnostuneet yritykset. Yritysten kartoittaminen voi tapahtua esimerkiksi olemassa olevien kontaktien ja Osaamiskeskusten yhteyshenkilöiden avustuksella. Kartoituksen perusteella voidaan selvittää älykkäisiin puurakenteisiin liittyvien yritysten toiminta, suunnitelmat ja arvoketju Suomessa. Kiinnostuneiden yritysten kanssa voidaan tarvittaessa edistää aikaisemmissa vaiheissa syntyneitä tuoteaihioita. 9
Laajapohjainen workshop/seminaari Alan keskeisten toimijoiden kartoittamisen jälkeen voidaan järjestää laaja-alainen workshop tai työpaja, jonka avulla voidaan selvittää eri toimijoiden kiinnostusta älykkäitä puurakenteita kohtaan. Workshopissa voidaan myös luoda suuntaviivoja esimerkiksi yhteiselle tutkimukselle tai muulle yhteistyölle. Workshopin perusteella kartoitetaan tarpeet älykkäiden puurakenteiden kehittämisen edistämiselle. Yritysten aktivoiminen Yritysten aktivoimisella pyritään älykkäisiin puurakenteisiin liittyvien innovaatioiden kaupallistamiseen. Kaupallistettavia innovaatioita voivat olla Innosession ja Innoleirin tuloksena saadut uudet tuoteaihiot. Yritysten aktivoiminen perustuu ns. jalkatyöhön ja vuorovaikutukseen yritysten, rahoittajien ja tutkimusorganisaatioiden kanssa Jatkohankkeet Tutkimus- ja yrityshankkeilla edistetään älykkyyden käyttöä puurakenteiden yhteydessä. Hankkeet voivat olla esimerkiksi tieteellisiä tutkimuksia tai yritysten tuotekehitysprojekteja. Käynnistettiin 2 esiselvityshanketta: Luonnonkuitu ja -hartsipohjaisen prepregin soveltuminen komposiittiteollisuuden käyttöön ja Puuraaka-ainepohjaisten materiaalien soveltaminen muotimaailmaan. Yhteistyö sidosryhmien kanssa Yhteistyö muiden liiketoimintaa tukevien tahojen kanssa on tärkeää älykkäiden puurakenteiden tutkimustoiminnan ja kaupallistamisen edistämiseksi. Keskeisiä tahoja ovat Tekesin Toiminnalliset materiaalit ohjelma, Metsäklusteri Oy ja Finnish Wood Research Oy. Yhteistyön avulla on mahdollista tavoittaa entistä laajempi yritysjoukko. Olennaista on myös puutuotealan yritysten saaminen mukaan Toiminnaliset materiaalit ohjelman tutkimusprojekteihin. 10
7. JOHTOPÄÄTÖKSET Metsäteollisuuden rakennemuutos ja kuluttajatottumusten muuttuminen luovat painetta uusien älykkäiden ominaisuuksien kehittämiseksi puurakenteisiin. Älykkyyden tarkan määrittelyn sijaan sitä voidaan käyttää yleisterminä, joka viittaa erilaisten teknologioiden avulla kehitettyihin uusiin lisäarvoa tuottaviin ominaisuuksiin. Suomella voidaan katsoa olevan tiettyä suhteellista etua älykkäiden puurakenteiden kehittämisessä. Älykkäiden puurakenteiden kaupalliset sovellukset ovat hyvin harvinaisia. Älykkyyttä voidaan lisätä puun omia älykkäitä ominaisuuksia hyödyntämällä, puuta modifioimalla, olemassa olevaa elektroniikkaa integroimalla tai yhdistämällä ns. älymateriaaleja puurakenteisiin. Tavoitteena on uusien ja useimmiten aktiivisten ominaisuuksien saavuttaminen. Puutuoteteollisuudessa potentiaalisiksi sovellusalueiksi tunnistettiin mm. rakennusten kunnonvalvonta ja turvallisuus, rakentaminen ja talotekniikka, viihtyvyys, puumateriaalin ominaisuuksien parantaminen ja jäljitettävyys. Keskeisiä kehitystä ohjaavia teemoja ovat ympäristötietoisuuden lisääntyminen, energiakysymykset, turvallisuus ja kuluttajien uudet tarpeet. Useat älykkäisiin rakenteisiin liittyvät sovellukset ovat vielä tutkimusvaiheessa. Voidaan siis olettaa että ennen älykkäiden rakenteiden kaupallistumista tarvitaan useimmissa tapauksissa vielä lisätutkimusta. Tutkimusta koordinoivia tahoja tähän liittyen ovat mm. Metsäklusteri Oy, Finnish Wood Research Oy ja Tekesin Toiminnalliset materiaalit ohjelma. Yritysten ja tutkimuslaitosten yhteistyön merkitys korostunee älykkäitä puurakenteita kaupallistettaessa. Tärkeimpiä jatkotoimenpiteitä ovat yritysten kartoittaminen ja aktivoiminen, yritysten suunnitelmien ja tarpeiden selvittäminen sekä älykkäiden puurakenteiden tutkimustoiminnan suuntaaminen haluttuun suuntaan. 11
LÄHTEET Kirjallisuuslähteet Kokko, E. 2004. Sisäilman kosteusolojen parantaminen puurakenteilla. Wood Focus Oy. Viitattu 2.12.2009. Saatavissa: http://www.thermowood.fi/data.php/200512/092075200512071425_sisailmaraportti.pdf VTT. 2004. Funktionaalisten materiaalien mahdollisuudet lujitemuovisessa toimirakenteessa. VTT tiedotteita 2250. Wada B.K. Fanson J.I. & Crawley E.F. 1990. Adaptive Structures. Mechanical Engineering. 112. s.11 12