1 Kemi Tornion ammattikorkeakoulun metallialan oppimis ja innovaatioympäristö M Lab/Hydro+ hanke mahdollisti materiaalien käytettävyyden soveltavan tutkimuksen Tutkijayliopettaja Timo Kauppi, timo.kauppi@ @tokem.fi Kemi Tornion ammattikorkeakoulu Tiivistelmä Artikkelissa esitellään Kemi Tornion ammattikorkeakoulun materiaalien käytettävyyden tutkimusryhmän toimintaa, hankkeita, niiden tuloksia ja vuosina 2008 2011 rakennettua metallialan oppimis ja innovaatioympäristöä. Soveltavaa tutkimustoiminta on ajettu ylös ja yhteistyötä tehdään Ruukin ja Outokummun tutkimuslaitosten ohella usean kymmenen metallialan PK sektorin yrityksen kanssa. Kärkiosaaminen liittyy ferriittisten ruostumattomien ja ultralujien kulutus, rakenne ja suojausterästen konepajakäytettävyyteen. Aluekehitys on yksi tärkeimmistä toimintaa ohjaavista asioista. Asiasanat: Materiaalitutkimus, teräs, aineenkoetus, soveltava tutkimus, aluekehitys Abstractt This article represents activities and facilities of the materials usability research team operating in Kemi Tornio university of applied sciences. The principles of operation, projects and the learning & innovation system build between 2008 2011 are reviewed. Applied research activities have been ramped up and co operation is going strong with the research centers run by Ruukki and Outokumpu as well as with dozens of SME companies. The core competence is related to the usability of ferritic stainless steels and ultra high strength (UHSS) wear resistant, structural and armour steels. Regional development is one of the most important aspects guiding the actions. * Johdanto Kemi Tornion ammattikorkeakoulu sai vuoden 2008 alussa myöntävän rahoituspäätöksen silloiselta Lapin lääninhallitukselta n. 2,6 miljoonan euron tuesta metallialan oppimis ja innovaatioympäristön suunnitteluun ja toteuttamiseen. Tätä M Lab:ksi nimettyä ympäristöä rakennettiin vuoden 2011 maaliskuun loppuun ja tähän mennessä se on palvellut opetusta, soveltavaa tutkimusta ja alueen yrityksiä. Projektia rahoitettiin toimintalinja 2:n (innovaatiotoiminnan ja verkostoitumisen
2 edistäminen sekä osaamisrakenteiden vahvistaminen) mukaisesti ensin Lapin lääninhallituksen ja lopuksi Lapin liiton EAKR rahoituksella. Ympäristö on mahdollistanut myös materiaalien käytettävyyden soveltavan tutkimuksen ylösajamisen. Tällä hetkellä tutkimusryhmässä työskentelee jo noin parikymmentä henkilöä. Tutkimusryhmän strategia lähtee lappilaisten metallialan yritysten tarpeista ja ongelmista sekä nojautuu tiiviisti Lapin maakuntaohjelmaan (Lapin maakuntaohjelmaa 2011 2014). Siinä on todettu mm. seuraavasti: Ensisijaisesti tulee tukea hankkeita, jotka vahvistavat pk yritysten kilpailukykyä ja jotka ovat realistisesti toteutettavissa seuraavan neljän vuoden aikana. Yritysten verkottuminen, uusien markkinoidenn hakeminenn ja uusien tuotteiden kehittäminen ovat avainasemassa. Näin ollen alueen PK yritykset ovat ensisijainen yritysyhteistyötaho ja aluekehitystyö tätä kautta tärkeässä asemassa. Tiivis yhteistyö, joka on kehittynytt kahden suomalaisen teräksentuottajan, Ruukin ja Outokummun, kanssa takaa viimeisimmän ja maailmanlaajuisesti huippuluokan tiedon ruostumattomista ja ultralujista kulutus, rakenne ja suojausteräksistä ja niihin liittyvästä teräsrakentamisestaa ja sen normistoista. Viimeisintä teknologiaa Projektin alussa tehtiin tarkat laitespesifikaatiot, joiden avulla kilpailutettiin laitetoimittajat. Laitteiden ominaisuuksien määrittelyt tehtiin yhteistyössä Outokummun Tornion, Ruukin Raahen ja Hämeenlinnan tutkimuskeskuksien sekä metallialan yritysten kanssa. Projektissa investoitiin monipuolinen rikkovan aineenkoetuksen laboratorio, jossa voidaan tutkia ja testata mm. mekaanisia ominaisuuksia, iskusitkeyttä, muovattavuutta, korroosionkestoa ja mikrorakenteita. Ympäristö muodostaa JaloteräsStudion kanssa korkeatasoisen metallialan oppimis ja innovaatioympäristön kansainvälisestikin mitattuna. Laboratorion tutkimuslaitteistoihin kuuluvat mm. Zwick Roell Z250kN vetokone, Zwick Roell PSW750 iskuvasara, Struers Duramin A2500ET kovuusmittari, Erichsen 145 60 ohutlevyjen muovattavuuden tutkimuslaitteisto, GOM Aramis/ /Argus/Atos/Tritop mittausjärjestelmät, optinen mikroskooppi, FEI:n Quanta 450 SC kenttäionipyyhkäisyelektronimikroskooppi (FESEM) Thermonorann energiadispersiivisellä alkuaineanalysaattorilla (EDS) varustettuna, Ascott suolasumutestilaitteisto (kts. kuva 1), olosuhdekammio ja strauss testilaitteisto.
3 Kuva 1. Projekti insinööri, ins.(amk), tekn. yo. Tiina Rissanen lataamassa näytteitä Ascott in suolasumukammioon. Laitteiden ominaisuuksia määriteltäessä annettiin suuri painoarvo niiden käytettävyydelle ja toiminnan automatisoinnille. Tämä vaatimus tulee suoraan materiaalien käytettävyyden tutkimusryhmän toiminnan periaatteista, joiden mukaan toiminnan tarkoituksena on tuottaaa uutta, tilastollisesti luotettavaa tietoa materiaalien käytettävyydestä terästen jatkojalostajille ja toimittajille sekä osallistua yritysten tuotekehitykseen omalla osaamisalueellaan. Toisaalta laitteiden käyttö opetuksessa edellyttää riittävän hyvää käytettävyyttä ja käytön nopeaa oppimista. M Lab ympäristö on antanut mahdollisuudet materiaalien käytettävyyden monipuoliseen tutkimiseen. Leikkaamisen, liittämisen, muovauksen, mekaanisten ominaisuuksien ja vaurioiden tutkiminen sekä siihen liittyvä näytteenvalmistus tehdään samassa ympäristössä Kemissä ja Torniossa. Torniossa sijaitseva JaloteräsStudio liitettiin osaksi materiaalien käytettävyyden tutkimusta vuoden 2010 alussa. Tuotantostudiossa on ruostumattoman teräksen leikkaukseen, muovaukseen, liittämiseen ja pinnan viimeistelyyn soveltuvaa teknologiaa. Sieltä löytyy mm. Trumpf TruLaser 4kW kuitulaser mig/mag polttimella 3D leikkauksen ja hybridihitsauksen. Tandem mig/mag laitteisto edustaa suurtehomenetelmiä. Hitsauskoulutusta varten on hankittu 10 etävalvottua mig/ /mag työasemaa (kuva 2b). täydennettynä (kuva 2a). Kokonaisuutta hallitseee KUKA robotti, joka mahdollistaa
4 (a) (b) Kuva 2. a) Robotisoitu hybridilaser hitsausasema, b) Mig/Mag hitsausstudio. Muovaukseen on käytettävissä 120t syvävetopuristin, 5000bar hydromuovauslaitteisto, impulssi ja vierintämuovauslaitteistot sekä 130t särmäysasema. Ohjelmistopuolelta mainittakoon suunnittelussa käytettävät Autodesk Inventor Professional 2010 ja MasterCAM ympäristöt. Robotin off line ohjelmointia tehdään Igrip: llä. Muovaukseen liittyviä FEM analysointi hoidetaan Minitab 16:lla ja mittaussovelluksia tehdään NI LabView 8.0 Signal Expresillä. tarkasteluja ANSYS Academic Teaching Introductory ohjelmistolla. Koesuunnittelu ja tilastollinen Hanketoiminta Ensimmäinen materiaalien käytettävyyden tutkimusryhmän koordinoima TEKES/ /EAKR projekti Jalosärmä käynnistyi 1.8.2008, ja se oli ehdottomasti näytön paikka niin rahoittajan kuin osallistujayritystenkin suuntaan. Projektiin osallistui viisi yritystä, joista ainoastaan Outokumpu oli Lapin alueelta. Hankkeessa tutkittiin ruostumattomien erästen särmättävyyttä ja erityisesti uusien ferriittisten teräslaatujen (mm. EN 1.4509) käyttöä austeniittista ruostumatonta terästä korvaavana materiaalina särmätyissä tuotteissa. Särmättävyystiedon ohella hankkeen keskeisintä antia oli se toimintatapa, jolla yritysten tapaustutkimukset hoidettiin ja hoidetaan edelleenkin. Projektin yhteydessä on kehitetty konenäköön perustuvaa takaisinjouston online mittausjärjestelmää (kts. kuva 3). Särmäystesteissä tehtiin yli 700 särmäystä, joissa takaisinjouston mittaus on tehty pääsääntöisesti tällää mittaussovelluksella.
5 (a) (b) Kuva 3. a) takaisinjouston mittaus käynnissä, b) särmäyksen takaisinjouston mittaussovelluksen käyttöliittymä. Ultralujien rakenne ja kulutusterästen käytettävyyden tutkiminen alkoi KuURaK projektissa 1.9.2009 Projektin osallistujayrityksistä neljä on alueen yrityksiä ja loput kaksi Raahesta. Ruukki Construction on hankkeen suurin rahoittaja. Hanke on edelleen käynnissä, ja Oulun yliopiston eteläisen instituutti vetää rinnakkaisprojektia Oulun ja Nivalan toimipisteissä. Johtoajatuksena yhteistyössä on ollut se, että ammattikorkeakoulu hoitaaa soveltavan tutkimuksen puolen ja keskittyy osallistujayritysten ongelmien ratkomiseen (ks. kuva 4) yliopiston tehdessä sille kuuluvaa tieteellisempää tutkimustyötä. Projektissa on tutkittu Ruukin ultralujien terästen särmättävyyttä ja konepajakäytettävyyttä. Tässä yhteydessä on myös kehitetty särmättävyyden tutkimusmenetelmiä. Molemmat KuURaK projektit on rahoitettu TEKES/Lapin läänin EAKR rahoituksesta. Kuva 4. KuURaK projektin yhdessä yrityksen tapaustutkimuksessa tehtiin tappikaarihitsauksen kehitystyötä. KuURaK hankkeessa yritysten tapaustutkimusten läpiviennin toimintatapaa kehitettiin edelleen: Olemme yhteydessä sekä materiaalien tuottajiin että niiden käyttäjiin ja keskitymme pääasiassa käytännön ongelmiinn ja niiden ratkaisuihin. Hallinnoimme verkostoa, jossa materiaalitietämys ja
6 tuotevalmistus kohtaavat, toteaa projektipäällikkö Rauno Toppila. Tämä toimintatapa tuottaa tietoa kaikille osapuolille ja ennen kaikkea ratkaisuja terästen käyttäjien mahdollisiin ongelmiin. Aluekehityksen kannalta hanke on tuottanutt hyödyllistä tietoa ja ratkaisuja lappilaisille metallialan yrityksille mm. tappikaarihitsauksesta, S690 lujuustason materiaalin käytöstä väsyttävässä kuormituksessa, ultralujien terästen särmäyksestä ja hitsauksesta sekä kulutusterästen kestävyydestä eri kohteissa. Jalosärmä hankkeessa tehtiin hyvää pohjatyötä 1.1.2010 käynnistyneelle TEKES/EAKR hankkeelle Jalosauma. Tässä projektissa on keskitytty tutkimaan ferriittisten ruostumattomien terästen hitsattavuutta ja tekemään niille alustavia hitsausohjeitaa (pwps). Projektiin on osallistunut kahdeksan yritystä, joista viisi on alueen yrityksiä. Projektin kautta alueen yritykset ovat saaneet uutta ja viimeisintä tietoa ferriittisten ruostumattomien terästen käytöstä hitsatuissa rakenteissa. Perinteisesti stabiloimattomien ferriittisten ruostumattomien terästen kuten EN 1.4016 hitsattavuus on hyvinkin rajoitettua (kts. taulukko 2), kun taasen stabiloitujen laatujen (EN 1.4509, 1.451, 1.4521, 1.4512) kohdalla on enemmänkin kyse tiedon ja ohjeiden puutteesta. Ferriittisen ruostumattomat teräksethän kiinnostavat jatkojalostajia nykyään ensisijaisesti austeniittisia teräslaatuja edullisemman hinnan vuoksi. Ferriittiset ruostumattomat teräslaadut eivät sisällää nikkeliä. Taulukko 1. Lämmöntuonnin vaikutus EN 1.4016 teräksen lämpövyöhykkeen mekaanisiin ominaisuuksiin. Näyte Materiaali Lämmön E R p0.2 R m A t A g tuonti [GPa] [MPa] [MPa] [%] [%] 4A 4016 Pieni 185 362 521 20,2 12,1 5A 4016 Keski 181 357 521 18 11,7 6A 4016 Suuri 186 371 539 4,4 Seuraava TEKES/EAKR hanke käynnistyi 1.6.2010. Tämä ASA (Advanced Strain Analysis) projekti pystytettiin M Lab hankkeessa investoidun GOM mittausjärjestelmän ympärille. Mittausjärjestelmällä voidaan mitata venymiä (GOM Argus/Aramis), jotka muodostuvat kappaletta muovattaessa tai kuormitettaessa. GOM Aramis/Argus järjestelmällää saadaan esim. vetokokeessa perinteiseen ekstensometrimittaukseen verrattuna tieto materiaalin muovautumisesta kokoo mitta alueelta ja näin ollen määritettyää huomattavasti aiempaa monipuolisemmin ja tarkemmin materiaalin plastisia ominaisuuksia.
7 Kuva 5. käyrä. GOM/Aramis järjestelmällä ultralujalle rakenneteräkselle määritetty true stress true strain Järjestelmällä voidaan määrittäää myös tasopintojen muotoja (GOM Atos/Tritop) ja saattaa ne digitaaliseksi tiedoksi. Tyypillinenn sovelluskohde on rakenne, josta ei ole käytettävissä kunnollista 3D mallia. Tällainen rakenne voidaan kuvataa GOM Atos/ /Tritop järjestelmällä ja muokata saatua 3D mallia sitten eteenpäin. Kuva 6. GOM Atos/Tritop järjestelmällä kuvattu teräslevy ja sen syvyys referenssitasoon nähden.
8 Viimeksi startannut TEKES hanke on kansallisen rahoituksen saanut, budjetiltaan n. 1,7 miljoonaa euroa oleva ConceptCar projekti, johon osallistuvat materiaalien käytettävyyden tutkimusryhmän ohella Metropolia ammattikorkeakoulu / teollinen tuotanto, Aalto yliopisto / sovellettu mekaniikka ja TTY / fysiikan laitos. Hankkeeseen osallistuu 16 yritystä, ja se loppuu 30.6.2014. Kyse on siis hyvinkinn pitkäjänteisestä TKI projektista, jossa tullaan tekemään paljon kehitystyötä ja tutustumaan uusiin ekotehokkaisiin ratkaisuihin sekä autoteollisuuden toimittajuuteen. Hankkeen konkreettisena lopputuloksena syntyy demonstraatioajoneuvo, joka julkistetaan Geneven 2014 autonäyttelyssä. Vaikka hankkeessa ei ole mukana kuin yksi alueen yritys (BRP Finland Oy), tullaan tuloksia julkaisemaan seminaareissa joita järjestetään alueella. Tavoitteena on tuoda lappilaisille yrityksille tietoa ympäristövaatimusten tiukentumisesta johtuen tulevaisuuden materiaaliratkaisuista ja metallisten materiaalien hiilijalanjäljestä sekä autoteollisuuden vaatimuksista alihankintaketjulle. Näiden lisäksi merkittävä projekti on ollut osaamiskeskusohjelmaan kytkeytyvä OSKEMeriklusteri roolissa ollaan oltu mukana myös eurooppalaisen RFCS:n (Research Fund for Coal and Steel) hanke (2010 2013), jossa olemme nimettynä alihankkijana. Tutkimusalihankkijann (subcontractor) rahoittamissa FERRAK ja SAFSS hankkeissa. Aluekehityksen kannalta hyvin merkittävä ProtoDesignII hanke käynnistyi kesän alussa ja sen johtoajatuksena on valjastaa Lapin korkeakoulukonsernin toimijat yritysten tuotekehityksen avuksi. Lappia tässä hankkeessa edustaaa ensisijaisesti materiaalien käytettävyyden tutkimusryhmä. Yrityskohtaisia tapaustutkimuksia on ehditty käynnistää jo useita. Alueellinen vaikuttavuus Ammattikorkeakoululain 4 määrittelee ammattikorkeakoulun tutkimustehtävän seuraavasti:...harjoittaa ammattikorkeakouluopetusta palvelevaa sekä työelämää ja aluekehitystä tukevaa ja alueen elinkeinorakenteen huomioon ottavaa soveltavaaa tutkimus ja kehitystyötä sekä taiteellista toimintaa. Tehtäviään hoitaessaan ammattikorkeakoulujen tulee edistää elinikäistä oppimista... (Laki ammattikorkeakoulusta). Tämä tarkoittaa sitä, että tutkimustoiminnann pitää tuoda opetukseen lisäarvoa ja toiminnan pitää hyödyttää ensisijaisesti alueen yrityksiä elinkeinorakenne huomioiden. Lapin valmisteilla oleva teollisuusstrategia 2030 määrittelee mm. seuraavia kriittisiä toimintaympäristöön liittyviä asioita (Lapin teollisuusstrategia 2030) : Kiinnostus arktista aluetta kohtaan kasvaa alueen luonnonvarojen hyödyntämiseen ja mahdollisesti avautuviin uusiin kuljetusreitteihin liittyvien taloudellisten potentiaalien myötä. Markkinat ympäristöä säästäville ratkaisuille kasvavat ympäristötietoisuuden laajentuessa.
9 Lapissa suurten ikäluokkien poistuminen työmarkkinoiltaa merkitsee noin 37 000 henkilönn poistumaa vuodesta 2009 vuoteen 2025. Metallien jalostus, energia, kaivannais, metsä, puutuote, elintarvike ja luonnontuoteteollisuus ovat strategiset valmistavan teollisuuden toimialat. Nämä reunaehdot ohjaavat osaltaan materiaalien käytettävyyden tutkimusryhmän toimintaaa ja sen painopisteitä. Opetukseen viedään tutkimuksissa käytettävää taustatietoa ja syntyviä tuloksia. Tämä varmistuu jo sillä, että 3 5 ryhmän jäsentä osallistuu suoraan opetustoimintaan. Opiskelijoita (AMK ja 2. aste) pyritään käyttämään hankkeissaa mahdollisimman paljon. Pelkästään tälle vuodelle opintopistekertymä on jo luokkaa 300. Opiskelijat tekevät projekteihin ja toimeksiantoihin liittyen opinnäyte, erikois ja harjoitustöitä ja tuovat toimintaann mukanaan valtavan resurssivarannon, onhan tuo 300 opintopistettä työmääräksi muunnettuna n. 5,5 henkilötyövuotta. Työelämäyhteydet ja aluekehitys näkyvät toiminnassa päällimmäisenä. Yhteistyötä tehdään aktiivisesti 10 15 alueen yrityksen kanssa ja asiakastietokannassa on ympäri Suomea n. 50 yritystä, joiden kanssa pidetään yhteyttä säännöllisesti. Tiivistä yhteistyötä tehdään myös Lapin alueen elinkeinoelämän kehitysorganisaatioiden kanssa. Ruostumattomien terästen osalta osaamistasomme mittaamisessa auttaa yhteistyömme Outokummun Tornion tutkimuskeskuksen kanssa. Yhteistyö Rautaruukin Raahen ja Hämeenlinnan tutkimuskeskusten kanssa puolestaan takaa saman ultralujien rakenne ja kulutusterästen osalta. Teollisen toimintaympäristön menneillään olevaan muutokseen on valmistauduttu mm. siten että kulutusteräksiä on tutkittu KuURaK projektissa ja kevään 2012 TEKES hakuun valmistellaan pelkästään kulutusterästen käytettävyyteen keskittyvää hanketta, johon pyritään saamaan mukaan mahdollisimman kattavasti pohjois suomalaisia kaivoksiaa ja niiden alihankkijoita. Energiateollisuuden tarpeita ja vaatimuksia teräsrakentamiselle selvitellään oppilasprojektityönä. Keväällää 2010 tehtiin kattava kaivosten toimialakatsaus (Tiina Rissanen 2010). Tulevaisuus Tulevaisuudessa Kemi Tornion ammattikorkeakoulun materiaalien käytettävyyden tutkimusryhmän tavoitteena on kasvaa kansainvälisestikin tunnetuksi materiaalien käytettävyyden erityisesti ruostumattomien ohutlevyratkaisujen liittämisen ja muovaamisen osalta. Toinen selkeä osaamisalue liittyyy ultralujien kulutus, rakenne ja suojausterästen käytettävyyden soveltavaan tutkimukseen. Erityistä huomiota kiinnitetään ratkaisujen ympäristövaikutuksiin ja esim. rakenteita keventämällä pyritään pienentämään rakenteiden aiheuttamaa hiilijalanjälkeä. Teräsrakentaminen, siihen liittyvä suunnittelu ja erityisesti muutaman vuoden sisällä radikaalisti tiukentuva vaatimustaso rakentamisessa (uudet standardit SFS EN 1090 1, 2 ja 3) tuovat omat
10 haasteensa, joihin tullaan myös panostamaan ja hankkimaan valmiudet toimia alueen yritysten kanssa tälläkin sektorilla. Tämä toiminnan alue tuottaa selkeimmin ja nopeimmalla aikajänteellä tuloksia aluekehityksen tarpeisiin. Tulevaisuuden toiminta tarkoittaa entisestään kasvavaa verkottumista muiden alan tutkimusorganisaatioiden kanssaa sekä tiivistä ja jatkuvaaa alueellista yhteis ja kehitystyötä metallialan yritysten kanssa. Lähteet Laki ammattikorkeakouluista 9.5.2003/351. http://www.finlex.fi/fi/laki/ajantasa/2003/20030351 Lapin Liitto maakuntaohjelma 2011 2014. http://www.lapinliitto.fi/lapin_kehittaminen/maakuntaohjelma Lapin teollisuusstrategia 2030. http://www.lapinliitto.fi/fi/lapin_kehittaminen/strategiat Tiina Rissanen 2010. Kaivosten toimialakatsaus, kirjallisuusselvitys, Kemi Tornion ammattikorkeakoulu, 2010.