SUURTEN LUJITEMUOVITUOTTEIDEN TEHOKKAAMMAT TUOTANTOPROSESSIT JA SUUNNITTELU 1.1.2008 30.6.2010 LOPPURAPORTTI

Tutkimusraportti MAT10-39000-005 SUURTEN LUJITEMUOVITUOTTEIDEN TEHOKKAAMMAT TUOTANTOPROSESSIT JA SUUNNITTELU 1.1.2008 30.6.2010 LOPPURAPORTTI

Petri Pykäläinen Veikko Äikäs Tero Karttunen Markku Tanttu Jukka Ruuskanen Antti Ylhäinen Martti Kemppinen MAMK/YTI-palvelut, Materiaaliteknologian toimiala Kari Dufva Sanna Haveri TTY Muovi- ja Elastomeeritekniikan laboratorio 30.9.2010 Sisältö 1. Hankkeen kuvaus... 1 2. Hankkeen tavoitteet... 3 3. Hankkeen talous ja johtoryhmän kokoukset... 4 4. Liimapintalujitteet... 6 5. Palonsuoja-aineiden vaikutus tuotteen prosessoitavuuteen... 7 6. Veneen osat... 11 6.1 Lujitteiden leikkaus... 11 6.1.1 Leikkausmenetelmien vertailu... 11 6.1.2 Leikkaus alihankintana... 12 6.2 Vaihtoehtoiset materiaalit ja valmistusmenetelmät... 12 7. Pitkien hoikkien lujitemuovituotteiden valmistus... 14 7.1 Törmäysystävällisen valaisinpylvään rakenne... 15 7.2 Nykyinen tuotantomenetelmä ja sen kehittäminen... 16 7.2.1 Nykyisen tuotantomentelmän kuvaus... 16 7.2.2 Kalvosäkin materiaalin valinta... 17 7.2.3 Laskenta-Caset RTM-pylväille... 18 7.2.4 Lujitemuovisen HE2-turvapylvään taivutuskokeet... 19 7.3 Plymin menetelmä... 21 7.4 Pultruusio... 22 7.5 Keskipakovalu... 24 7.6 Kuitukelaus... 26 7.6.1 Kelatut käyrät valaisinvarret... 27 7.6.2 Kelatut käyrät valaisinpylväät... 29 7.6.3 Kelatut suorat valaisinpylväät... 30 7.6.4 Valoportaalin laskenta... 30 7.6.5 Mainostaulun tukirakenteiden laskenta... 31 8. Suurten lujitemuovituotteiden laadun parantaminen ja todentaminen... 32 9. Vaihtoehtoiset materiaalit... 36 10. Liitteet... 37

1 1. Hankkeen kuvaus Suuret lujitemuovirakenteet ovat viime vuosikymmeninä yhä enenevässä määrin alkaneet korvata metallirakenteita sellaisissa käyttökohteissa, joissa korkea jäykkyys/massa ja lujuus/massa suhde on tuotteen elinkaaren tuottavuuden kannalta hankintahintaa tärkeämpi. Tyypillisiä tällaisia tuotteita ovat ilma-alusten rakenteet sekä tuulivoimaloiden lavat. Lujitemuovien muut hyvät ominaisuudet ovat lisänneet niiden käyttöä mm. veneteollisuudessa ja hallittua murtumista edellyttävissä kohteissa, kuten törmäysturvallisissa tienvarsirakenteissa. Eri injektointimenetelmien teollinen käyttöönotto on tehnyt valmistuksesta siistimpää, parantaen valmistuksen työturvallisuutta, työviihtyvyyttä, ympäristöystävällisyyttä sekä tuotteiden kuitupitoisuutta ja tasalaatuisuutta merkittävästi. Työn kokonaismäärä sen sijaan ei ole merkittävästi vähentynyt, koska lujitteet asetellaan suurten kappaleiden injektiomenetelmissä muottiin edelleenkin käsin ja alipainesäkin ilmatiivis ja oikeaoppinen asennus vaatii tarkkaa käsityötä ja ammattitaitoa. Eräs merkittävä parannus lujitteiden asettelun nopeuttamiseksi on kutomossa lujitteen päälle ruiskutettu tarraliima, jolloin lujite tarttuu muottiin ja edellisiin lujitekerroksiin kevyesti, helpottaen suuresti lujitteiden asettelua vaakasuorasta poikkeaville pinnoille ja tarvittaviin muotoihin. Tarraliimatuotteita on viime vuosina otettu käyttöön lähinnä veneteollisuudessa, joka käyttää matriisiaineena pääsääntöisesti styreenipohjaisia hartseja, eli polyesteri- ja vinyyliesterihartseja. Suuren kuormituksen alaisissa lujitemuovirakenteissa, kuten tuulivoimaloiden lavoissa, käytetään matriisiaineena epoksihartseja, joille sopivia tarraliimalujitteita ei vielä ole kehitetty teollisessa mittakaavassa. Eräs tämän hankkeen päätavoitteista onkin olla mukana kehittämässä toimivaa tarraliimalujiteratkaisua epoksihartsilla impregnoitaviin lujitemuovituotteisiin. Aihepiirissä keskitytään tarraliimalujitteiden asetteluominaisuuksiin, impregnointiin, kemialliseen yhteensopivuuteen sekä saavutettaviin kimmo-, lujuus- ja väsymislujuusarvoihin. Palonsuojaus on välttämätön vaatimus useille lujitemuovituotteille. Niinpä yllä mainittu injektioprosessinohjaus ja suunnittelun takaisinkytkentätarkastelu suunnittelusääntöineen ulotetaan koskemaan myös palosuojattua tuotetta, jonka prosessiparametrit ovat tyypillisesti hyvin erilaiset palonsuoja-aineiden hartsille aiheuttamien viskositeetin ja kemiallisten ominaisuuksien muutosten takia. Lujitemuovituotteita pystytään valmistamaan monella eri tavalla. Suurimpana haasteena on löytää kustannustehokas valmistusmenetelmä. Suurimpina rajoittavina tekijänä ovat tuotteen geometria sekä tuotteelta vaadittavat ominaisuudet mm. jäykkyys. Myös tuotantomäärät karsivat menetelmiä. Muutaman sadan tuotteen takia ei kannata kalliita muotteja hankkia. Injektiomenetelmät soveltuvat erinomaisesti pienten tuotantomääräisten tuotteiden valmistukseen ja kuitusuunnat sekä geometria harvoin aiheuttavat ylitsepääsemättömiä ongelmia. Valitettavasti menetelmä on käsityövaltainen, jolloin työkustannukset nousevat helposti liian korkeiksi. Lisäksi tuotteiden laatu vaihtelee helposti työntekijöiden vaihtuessa. Injektiomenetelmää kokonaisuudessaan on hyvin vaikea automatisoida, mutta yksittäisiä tuotantovaiheita voidaan automatisoida. Yksi haastavimmista työvaiheista on lujitteiden leikkaus.

2 Suuria määriä leikatessa työntekijän käteen ja hartioihin kohdistuu suuri rasitus. Tästä seurauksena on ollut rasitusvammoja, jotka ovat aiheuttaneet pitkiä sairaslomia. Hankkeen yhtenä tavoitteena on löytää lujitteiden leikkaukseen helpottavia menetelmiä sekä vertailla onko järkevää valmistajan itsensä investoida automaattileikkuriin vai kannattaako ostaa palvelu alihankintana. Lisäksi tutkitaan eri materiaalivaihtoehtojen soveltuvuutta veneenosien valmistukseen. Prosessiputkissa virtaavat nesteet ovat yleensä huoneenlämpöä huomattavasti korkeammissa lämpötiloissa. Putkissa esiintyy lisäksi huomattavia painevaihteluita, jotka paikoin voivat olla suurempia kuin käytetyt suunnittelupaineet. Sekä lämpötila että painevaihtelut aiheuttavat putkiin väsytysrasitusta, jotka voivat pahimmassa tapauksessa johtaa putkirikkoihin. Kun kyseiset nesteet ovat todennäköisesti vaarallisia esim. happoja, on putken rikkoutuminen suuri turvallisuusriski. Hankkeen yhtenä tavoitteena on kehittää testausmenetelmä, jolla voidaan isojen prosessiputkien väsymiskestävyyttä testata. Testin perusperiaatteena päätettiin soveltaa Mariner-laatuluokan edellyttämää standardia ASTM D 2992-06, jossa prosessiputket pidetään vakiolämpötilassa sekä korotetussa vakiopaineessa. Valaisinpylväät ovat perinteisesti tehty kuumasinkitystä teräksestä, joista pääsee pylvään elinaikana liukenemaan sinkkiä ympäristöön.. Vaikka nykyisin yhä enemmän pylväsmateriaaleina käytetään sekä puuta että lujitemuovia, tehdään tietyt pylvään osat edelleen sinkitystä teräksestä. Näitä osia ovat mm. tyviputket ja valaisinvarret. Hankkeen yhtenä tavoitteena on löytää halpa, ekologinen materiaali tyviputkelle. Projekti toteutettiin rinnakkaishankkeena Tampereen teknillisen yliopiston kanssa. TTY:n päävastuualueena on tarraliimojen, hartsien ja kuitujen kemiallinen yhteensopivuus sekä prosessiparametrien (hartsin virtaus, huokoisuus ja kovettuminen) mittaus sekä tutkia vaihtoehtoisten materiaalien soveltuvuutta tuotteiden valmistukseen. MAMK/YTI päävastuualueena on tuotesuunnitteluun liittyvä lujuuslaskenta, menetelmäkokeet sekä tuotteiden testaus. Hanke toteutettiin 1.1.2008 30.6.2010 välisenä aikana. Hankkeen rahoituspäätös saapui 28.5.2008, jolloin hanke varsinaisesti päästiin aloittamaan. Hankkeen alussa yksi alkuperäisistä yritysrahoittajista Sinex Oy jättäytyi pois hankkeesta. Sinexin poisjääminen sekä Plastilonin hankkeeseen liittyminen aiheutti muutoksia hankkeen tavoitteisiin. Alkuperäistä palonsuoja-osuutta kavennettiin jättämällä palokokeet pois, vastaavasti tilalle otettiin painetestin kehitys sekä vaihtoehtoiset materiaalit-selvitystyö. Johtoryhmä hyväksyi tämän muutoksen johtoryhmän 2. kokouksessa 11.9.2008.

3 2. Hankkeen tavoitteet Hankkeen päätavoitteena on suurten lujitemuovikappaleiden tuotannon kustannustehokkuuden ja tuotteiden laadun parantaminen. Koska kyse on teollisuustuotteista, ylilaatuun ei pyritä, vaan pääpaino on nimenomaan kustannustehokkuudessa, valmistuksen nopeudessa ja suurten sarjojen tasalaatuisessa tuotannossa. Hankkeen osatavoitteita ovat: 1. Löytää tai auttaa kehittämään epoksihartsien ja lasikuitulujitteiden kanssa kemiallisesti yhteensopiva tarraliima, jonka avulla lasikuitulujitteiden asettelu muottiin manuaalisesti ja koneellisesti on nopeaa ja luotettavaa. 2. Valittujen tarraliimatyyppien suorituskyvyn mittaaminen: ladottavuus, hartsin virtaus ja kuitujen kastuminen, koelaminaattien kimmoarvot, lujuus, pitkäaikaiskesto ympäristöaltistuksissa ml. väsymiskestävyys. 3. Palonsuoja-aineiden lisäämisen vaikutus tuotteen prosessoitavuuteen ja valmiin tuotteen fysikaalisiin ominaisuuksiin 4. Lujitteiden leikkaus ja uusien materiaalien käytettävyys veneen osien valmistusta silmällä pitäen 5. Kokeet, mittaukset ja johtopäätökset pitkien ja hoikkien lujitemuovituotteiden kustannustehokkaan valmistusmenetelmän löytämiseksi. 6. Pitkäaikaisen testausmenetelmän kehittäminen lämpötila- ja painekuormitetuille prosessiputkille. 7. Vaihtoehtoiset materiaalit 8. Uuden osaamisen synnyttäminen tutkimusyksikköihin, tutkimusalihankkijoille ja yhteistyöyrityksiin. Tavoitteiden saavuttamiseksi hanke jaettiin kuuteen osioon: 1. Liimapintalujitteet 2. Palonsuoja-aineiden vaikutus tuotteen prosessoitavuuteen (Light-RTM) 3. Veneen osat 4. Pitkien hoikkien lujitemuovituotteiden valmistus (Tolppamaiset rakenteet) 5. Suurten lujitemuovituotteiden laadun parantaminen ja todentaminen (Laadunvarmistus) 6. Vaihtoehtoiset materiaalit YTI keskittyi osioihin 2-5. TTY keskittyi osioihin 1 ja 6.

4 3. Hankkeen talous ja johtoryhmän kokoukset Mikkelin ammattikorkeakoulu Hankkeen rahoituspäätös saapui Mikkelin ammattikorkeakoululle 28.5.2008. Varsinainen hanke päästiin aloittamaan 1.6.2008. Ensimmäisen johtoryhmän jälkeen Sinex Oy päätti irtisanoutua hankkeesta. Hankkeeseen uudeksi yhteistyökumppaniksi suostui prosessiputkien ja säiliöiden valmistaja Plastilon Oy, joka kattoi osan Sinexin rahoitusosuudesta. Loput yritysosuudesta katettiin kasvattamalla Tehomet Oyn rahoitusosuutta. Taulukko 3.1. MAMK/YTIn hankkeen rahoitus ja laskutukset Maksatus YTI Rahoitusosuudet Rahoitus-% 1. maksatus 2.maksatus Loppulaskutus 1.1.08-30.11.08 1.12.08-31.12.08 1.1.09-31.8.09 1.9.09-30.6.10 TEKES 233 750 85,00 % 71 628,00 8 806,00 82 016,50 71 299,50 Ahlstrom Glassfibre Oy 12 454 4,53 % 3 816,27 469,18 4 369,77 3 798,78 Tehomet Oy 15 796 5,74 % 4 840,36 595,08 5 542,39 4 818,18 Oy Esmarin Composites Ltd 5 000 1,82 % 1 532,15 188,36 1 754,36 1 525,12 Plastilon Oy 8 000 2,91 % 2 451,44 301,38 2 806,98 2 440,20 Yhteensä 275 000 100,00 % 84 268,22 10 360,00 96 490,00 83 881,78 Koska hankkeen tavoitteet muuttuivat, muuttuivat myös hankkeen budjetin painotukset eri tileille. Alkuperäisen tutkimussuunnitelman mukaisesti palonsuojaustutkimus olisi tehty MAMK:n nykyisillä laboratoriolaitteilla ja muoteilla, jolloin suurin osa kustannuksista olisi ollut laitevuokrakustannuksia eli yleiskustannuksia. MAMK:lla ei ollut valmista laitteistoa ja testikammiota Plastilonin testiä varten vaan sellainen jouduttiin rakentamaan. Testijärjestelmä koostuu lähinnä teräshyllyköstä, jonka ympärille on rakennettu puinen lämpökammio. Kun muut tarvikkeet olivat antureita, paineakkuja ja muita hydrauliikkatarvikkeita, kohdistuivat suurin osa kustannuksista aineisiin ja tarvikkeisiin. Tästä syystä yleiskustannuksista siirrettiin osa varoista aineisiin ja tarvikkeisiin oheisen liitteen mukaisesti. Samalla lisättiin 3 miestyökuukautta palkkoihin. Budjetoitua kokonaissummaa ei muutettu. Tiliöintimuutosta on anottu Tekesiltä 4.4.2010. Taulukko 3.2 MAMK/YTI-n hankkeen budjetti ja toteutuma Budjetoitu YTI Dnro 2493/31/ Alkuperäinen Budjettimuutos- Toteutunut Kustannuslaji kustannusarvio ehdotus 1.1.08-30.6.10 Rahapalkka 120 000 129 743 135 886 Henkilösivukustannukset 60 000 58 176 61 291 Yleiskustannukset 45 000 27 881 19 769 Matkat 7 500 6 500 5 941 Aineet ja tarvikkeet 18 500 30 300 30 385 Laiteostot Ostettavat palvelut 24 000 22 400 21 683 Muut kustannukset Yhteensä 275 000 275 000 274 954

5 Tampereen teknillinen yliopisto Taulukossa 3.3 on esitetty TTY:n hankkeen rahoitusosuudet ja laskutukset. Taulukko 3.3. TTY:n rahoitus- ja laskutusosuudet. Maksatus TTY Rahoitusosuudet Rahoitus-% 1. Maksatus 2.maksatus Loppulaskutus 1.1.08-31.12.08 1.1.09-31.8.09 1.9.09-30.6.10 TEKES 119 000.00 85.00% 32 830.00 11 593.64 74 576.36 Ahlstrom Glassfibre Oy 6 300.00 4.50% 683.66 1 668.18 3 948.16 Plastilon Oy 2 000.00 1.43% 217.04 530.32 1 252.64 Tehomet Oy 12 700.00 9.07% 1 378.17 3 362.09 7 959.74 Yhteensä 140 000.00 100.00% 35 108.87 17 154.23 87 736.90 Hankkeeseen ehdotettiin kustannuslajimuutoksia merkittävästi arvioituja suurempien matka- sekä ostopalvelukustannusten kattamiseksi. Matkakustannusten osuuteen vaikuttavat tehdyt ulkomaan matkat. Hankkeessa toteutettiin mm. lyhyt tutkijavierailu saksalaiseen yritykseen. Ostopalveluissa on toteutettu tutkittavaan puumuovikomposiittiin liittyvää koeajotoimintaa sekä muottiteknologian kehitystä liittyen lujitemuovien valmistustekniikkaan. Vastaavasti, hankkeen täysipainoisen toiminnan myöhästymisestä johtuen, palkkakustannuksiin ehdotettiin pienennystä oheisen taulukon 3.4 mukaisesti. Budjetoitua kokonaissummaa ei muuteta. Tiliöintimuutosta on anottu Tekesiltä 26.4.2010. Taulukossa 3.4 tulee toteutuneisiin kustannuksiin vielä pieniä muutoksia mm. ALV:n osalta. Virallista maksatusta ei vielä tässä vaiheessa ole laskettu. Taulukko 3.4. TTY:n toteutunut budjetti. Budjetoitu TTY Dnro 2494/31/07 Kustannuslaji Alkuperäinen kustannusarvio Budjettimuutosehdotus Toteutunut 1.6.08-30.6.10 Rahapalkka 47 000 44 000 45301 Henkilösivukustannukset 21 009 21 560 22198 Yleiskustannukset 53 048 53 104 54674 Matkat 4 000 10 000 9771 Aineet ja tarvikkeet 9 000 4 000 3481 Laitteet - - 0 Ostopalvelut 2 400 6 000 5578 Muut kustannukset 1 343 343 0 ALV 2 200 993 711 Yhteensä 140 000 140 000 141713 Johtoryhmä kokoontui 1. 17.6.2008 Mikkelissä MAMK 2. 11.9.2008 Mikkelissä MAMK 3. 4.12.2008 Mikkelissä MAMK 4. 3.4.2009 Mikkelissä Ahlstrom Glassfibre 5. 26.8.2009 Tampere TTY 6. 27.1.2010 Mikkeli MAMK 7. 9.9.2010 Mikkeli MAMK

6 4. Liimapintalujitteet Osion tarkoituksena oli löytää tai kehittää lasikuitulujitteille tarraliima, joka ei heikennä lopullisen tuotteen laminaattirakennetta. Liiman tulee olla yhteensopiva epoksihartsien kanssa. Liiman tarkoituksena on pitää lujite paikoillaan muotissa kappaleen valmistuksen ajan. Alkuvaiheessa oltiin yhteydessä 22 eri liimavalmistajaan asian tiimoilta. Pian kävi selväksi, ettei aihealue ollut tuttu yhdellekään valmistajalle. Varsinkaan liimojen epoksiyhteensopivuudesta ei ollut mitään tietoa. Ehdotuksia kuitenkin saatiin, ja lisäksi 14 liimanäytettä yhteensä kahdeksalta eri valmistajalta. Ehdotetut liimat voitiin jakaa karkeasti kolmeen ryhmään liimatyypin mukaan: vesidispersioliimat, kuumaliimat ja epoksipohjaiset liimat. Saaduille liimanäytteille tehtiin esitestejä epoksiyhteensopivuuden selvittämiseksi. Testit tehtiin sekoittamalla liimoja epoksihartsiin. Testit osoittivat, että vesidispersioliimoista yksikään ei ollut epoksiyhteensopiva, koska niihin jäi haihduttamisesta huolimatta aina kosteutta, joka vaahdotti epoksin. Muista liimoista löytyi muutama varteenotettava vaihtoehto. Liimavalmistajista eniten yhteistyöhalukkuutta osoitti monikansallinen Struktol, joka suostui räätälöimään liimojaan varta vasten tätä hanketta varten. Projektin aikana tehtiin myös vierailu Struktolin tehtaalle Hampuriin testien merkeissä. Projektin aikana selvisi, että liimassa pitää olla epoksikomponentti reagoidakseen epoksihartsin kanssa. Toistaiseksi liima alensi laminaatin mekaanisia ominaisuuksia. Vaikka liiman kehitys saatiinkin hyvään alkuun, jäi tarramaisuus vielä kauas tavoitteesta. Kuitenkin tutkimuksen tuloksena saatiin tietoa erilaisista liimoista, opittiin paljon laminoinnista alipaineinjektiolla ja sovellettiin erilaisia materiaalien ominaisuuksien karakterisointimenetelmiä liimojen, liimapintalujitteiden ja lasikuitulujitettujen laminaattien tutkimiseen, joilla saadaan vietyä tätä tuotekehitystä eteenpäin. Ennen kaikkea saatiin luotua hyvä yhteistyö Struktolin kanssa, mikä mahdollistaa sopivan tarraliiman jatkokehittelyn tulevaisuudessakin. Osion tuloksista on tarkemmin Epoksiyhteensopiva tarraliima osion loppuraportti 300610 -raportissa.

7 5. Palonsuoja-aineiden vaikutus tuotteen prosessoitavuuteen Täyteaineiden käyttö lujitemuovituotteessa voi olla perusteltua monesta eri syystä. Aiemmin niillä pyrittiin lähinnä kustannussäästöihin korvaamalla hartsia halvemmalla täyteaineella. Nykyisin muovien mekaanisten ja fysikaalisten ominaisuuksien muuttaminen täyteaineilla on tullut merkittäväksi tekijäksi. Tähän ovat vaikuttaneet täyteainevalikoimien monipuolistuminen, mutta myös muovisovellusten lisääntyminen ja valmistusteknologioiden kehittyminen. Injektointimenetelmien lisääntynyt käyttö kappaleiden valmistuksessa on asettanut omat haasteensa täytettyjen hartsien käytölle. Etenkin kohteissa, joissa täyteaineita käytetään runsaasti, on niiden vaikutus viskositeettiin monesti ongelmallista. Myös suodattuminen lujitteissa injektion aikana voi rajoittaa täyteaineiden käyttöä. Tässä osiossa tutkittiin alumiinitrihydroksidilla (ATH) täytetyn hartsin virtaamista light-rtm (LRTM) injektiossa. ATH:ta käytetään komposiittituotteissa palonsuoja-aineena. Sen etuina muihin palonsuoja-aineisiin ovat matala hinta, monikäyttöisyys ja ympäristöystävällisyys. ATH:ta joudutaan kuitenkin käyttämään korkeina pitoisuuksina, tyypillisesti yli 50 m%, mikä kasvattaa hartsin viskositeettiä. Koeinjektioilla oli tarkoitus selvittää miten täyteaineesta johtuva viskositeetin kasvu näkyy muotin täyttymisajassa, sekä millaisilla pitoisuuksilla ATH alkaisi suodattumaan lujitteissa. Kuva 5.1. Koejärjestelyt. Vasemmassa kuvassa on ylämuotti, johon piirretty mitta-asteikko hartsin etenemisen määrittämiseksi. Jokainen testi videoitiin. Oikealla on injektointijärjestelmä kokonaisuudessaan. Tulosten perusteella ATH:n partikkelikoolla ei näyttäisi olevan vaikutusta muotin täyttymisaikoihin. Myös viskositeettimittausten perusteella partikkelikoolla ei ollut ollut vaikutusta. ATH:n suodattumisen tutkimiseksi mietittiin monia vaihtoehtoja, mm. röntgen- ja elektronimikroskooppikuvausta. Loppujen lopuksi parhaaksi menetelmäksi osoittautui katsoa kappaletta paljaalla silmällä valoa vasten, jolloin ATH-saostumat näkyisivät selvästi. ATH ei suodattunut lujitteisiin

8 näkyvästi yhdessäkään injektiossa. Luultavasti syynä oli liian alhainen ATH-pitoisuus. Käytössä ollut pumppulaitteisto ei mahdollistanut suurempaa täyttöastetta, vaikka tiedossa olikin, että teollisuudessa ATH-pitoisuudet ovat selvästi korkeammat. Cavityn, eli muottionkalon paksuus määrää lujitteiden kokoonpuristuvuuden, jolla taas on suora vaikutus siihen, kuinka helposti hartsi pääsee virtaamaan niiden lävitse. Näin on erityisesti silloin, kun käytetään lujitteita, joissa on huokoinen hartsinvirtauskerros. Molemmat tässä projektissa käytetyistä lujitteista olivat juuri tällaisia lujitteita. Tulosten perusteella voidaan päätellä, että cavityn koko vaikuttaa täyttymisaikaan selvästi. Prosentuaaliset erot 4 ja 6 mm cavityn välillä olivat jokaisessa kolmessa tapauksessa samaa luokkaa, ollen noin 27 %. Tulokset ovat tietenkin riippuvaisia käytetystä lujitteesta, mutta ovat silti suuntaa antavia. Koejärjestelyistä ja tuloksista on tarkemmin raportissa MAT09-39000-016. Lisäksi määritettiin käytetyille lujitteille ja cavityille permeabiliteetti-arvot. Permeabiliteettiarvot määritettiin sekä käsin että arvioitiin PAM-RTM-simulointiohjelmiston avulla. Permeabiliteettilaskennoista on tehty raportti Permeabiliteetin määritys ja täyttymisen simulointi. Permeabiliteetin käsin määrittämistä varten tehtiin alipaineella nopeusinjektiokokeita. Edellä mainittua koejärjestelyä muutettiin niin, että muotin syöttökanava tukittiin sivuilta, ja imuliitäntä siirrettiin muotin toiseen päähän (aikaisemmin muotin keskellä). Valitettavasti syöttöuran tukkiminen ei onnistunut kunnolla vaan hartsin ohivirtausta reunoilla esiintyi. Saaduista tuloksista kuitenkin pystyttiin määrittämään käyränsovituksella permeabiliteettiarvot. Tulokset ovat alla olevassa taulukossa. Taulukko 5.1. Käyränsovituksella määritetyt permeabiliteetit. Lujite 2 x 31300 2 x 31300 32450 Hartsi puhdas G 235 E 40 m% ON 310 40 m% ON 904 Cavity (mm) 4 4 3 Viskositeetti (mpa s) 230 500 500 Permeabiliteetti (m 2 ) 3,10E 09 3,80E 09 3,10E 09 PAM-RTM-ohjelmiston avulla permeabiliteetin määrittäessä käytettiin hyväksi alkuperäisistä ATHinjektioista saatuja tuloksia. Ohjelmalla tehtiin kuvan 5.2. mukainen malli. Mallissa sininen osa kuvaa muottipesää lujitteineen ja vihreä hartsin syöttöuraa. Musta piste keskellä on imu ja musta piste alhaalla on syöttö. Simuloinnissa hartsinjohtouran permeabiliteetiksi on arvioitu 7.00E-7. Muottipesän permeabiliteettiä sovitettiin, kunnes simuloitu muotin täyttymisaika vastasi testin täyttymisaikaa. Kuvassa 5.3 on simuloitu ja todellinen tilanne 17 s jälkeen hartsin virratessa muottiin.

9 Kuva 5.2. PAM-RTM-malli. Sininen on muottipesä lujitteineen, vihreä hartsinsyöttöura Kuva 5.3. Simuloitu muotin täyttyminen ja hartsirintama testissä ajanhetkellä 17s.

10 Luodun mallin avulla määritettiin K arvoja eri injektointikombinaatioille. Taulukossa 5.2 on esitetty arvioidut permeabiliteettiarvot eri lujitteille ja muottiraoille (cavity). Permeabiliteettiarvot on saatu sovittamalla simuloitu täyttymisaika lähelle mitattua injektoinnin täyttöaikaa. Taulukko 5.2. Arvioidut K arvot eri variaatioille. Hartsi Viskositeetti Lujite Cavity K Aika Simuloitu aika ON 310 40% 500 mpas 32450 4 3.30E 09 135 138 ON 310 40% 500 mpas 32450 5 3.70E 09 130 129 ON 904 40% 500 mpas 31300 4 1.45E 09 240 239 ON 310 40% 500 mpas 31300 5 2.60E 09 160 160 ON 904 40% 500 mpas 31300 6 2.70E 09 155 156 Osion lopussa injektoiduille laminaateille tehtäviä mekaanisia testejä ei tehty varojen loppumisen johdosta.

11 6. Veneen osat 6.1 Lujitteiden leikkaus 6.1.1 Leikkausmenetelmien vertailu Lasikuidun leikkaamiseksi on olemassa monenlaisia menetelmiä. Tässä projektin osassa on tutkittu Fiskarsin saksien, manuaalisesti ohjattavien Decoupin ultraääni-, Robuson moottorisaksi- ja Eastmanin pystyteräleikkaimien sekä Lectran, Kuriksen ja Gerberin automaattileikkaimien soveltuvuutta ja kustannustehokkuutta veneen osien leikkaamiseen. Robuson moottorisaksileikkaimia testattiin Ahlstrom Glassfibren toimitiloissa 1.4.2009. Leikkauskokeesta on tehty raportti MAT09-39000-004. Tarkastelun lähtökohdaksi valittiin tilanne, jossa venevalmistaja hankkisi yhden vaihtoehtoisen leikkaimen omiin tarpeisiinsa. Menetelmittäin syntyneitä kustannuksia on verrattu vuodessa leikattavaan kokonaislujitesauman pituuteen. Kuvassa 6.1.1. on esitettynä tarkastelun tulokset. Tarkastelun olettamuksiin ja itse tarkasteluun voi tutustua tarkemmin excel-taulukossa Kokonaiskustannusvertailu leikkausmenetelmittäin. Leikkausmenetelmien ja luvussa 6.1.2. käsiteltävän leikkaus alihankintana excel-taulukon käyttöön on tehty ohjeistus MAT09-39000-006. 1 400 000,00 1 200 000,00 1 000 000,00 800 000,00 600 000,00 400 000,00 Sakset (Fiskars) Ultraääni decoup P300 W Robuso Shear Foot B Eastman Brute 627 VS Lectra VT TT 25 FX Kuris C3030 GERBERcutter GTxL GERBERcutter DCS3600 200 000,00 0,00 0 m 5000 m 10000 m 20000 m 30000 m 40000 m 50000 m 60000 m 70000 m 80000 m 90000 m 100000 m Kuva 6.1.1. Leikkauskustannukset menetelmittäin verrattuna leikkaussauman pituuteen.

12 Kuvaajasta havaitaan, että kustannustehokkain leikkausmenetelmä saumapituuteen noin 2000 metriä asti on Fiskarsin sakset. Tämän jälkeen kustannustehokkain ratkaisu aina noin 28 000 metriin asti on Eastmanin pystyteräleikkain, Decoupin ultraäänen ja Robuson moottorisaksien ollessa vain hiukan kalliimpia ratkaisuja. Jos leikkaussaumaa syntyy vuodessa enemmän kuin noin 28 000 metriä, edullisin vaihtoehto on automaattileikkain. Automaattileikkainten kustannustehokkuusjärjestys on pitkälti kiinni perustamiskustannuksista. Kerättyjen tietojen valossa kustannustehokkain automaattileikkain on Kuriksen C3030 noin 180 000 metriin asti. 6.1.2 Leikkaus alihankintana Käytännössä alihankintana suoritettava lasikuitulujitteiden leikkaus tarkoittaa sitä, että veneveistämö tilaa lasikuitulujitteet materiaalitoimittajalta alihankkijalle, joka leikkaa lujitteet ja toimittaa ne sitten veneveistämölle. Tässä projektin osassa tutkittiin kustannustarkasteluna kahta vaihtoehtoista toimintamallia. Edellä kuvattua alihankintaketjua ja toimintamallia, jossa veneveistämö itse leikkaa tarvitsemansa lujitteet. Lähtökohtaoletuksina pidettiin sitä, että alihankkija leikkaa automaattileikkaimella ja veneveistämö manuaalisesti ohjattavilla moottorisaksilla. Tarkastelun helpottamiseksi valittiin kuvitteellinen 7- metrinen vene, jonka lujitteita ja lujitekitiä tultiin tarkastelemaan. Lujitekitillä tarkoitetaan alihankkijan toimittamaa lujitepakkausta, joka sisältää kaikki tarvittavat lujitteet yhteen valmistettavaan veneeseen. Tarkastelussa tärkeimmät olettamukset liittyvät alihankintamarkkinoihin. Markkinatilanteen ja tuotantovolyymin oikean suuntaisella arvauksella on huomattava merkitys alihankintatoiminnan kannattavuuteen. Tarkastelun olettamuksiin ja itse tarkasteluun voi tutustua tarkemmin excel-taulukossa Kokonaiskustannusvertailu, leikkaus alihankintana. Tutkimuksen mukaan alihankinnassa saavutetaan kustannusetua leikkuussa, jossa alihankkijan kustannukset voivat olla jopa puolet veneveistämön leikkauskustannuksiin. Kun alihankkijatoimintamallin kokonaiskustannuksiin lasketaan pakkaustyö ja kuljetukset, tullaan molemmissa toimintamalleissa lähelle samoja kustannuksia. Lyhyillä kuljetusetäisyyksillä alihankintatoiminta voi olla kannattavaa, mutta pitemmillä etäisyyksillä logistiset haasteet tekevät toiminnan kannattavuudesta haasteellista. Työssä tarkasteltuja pakkaus- ja kuljetuskustannuksia on tosin suoraan mahdollista pienentää kierrätettävillä pakkauksilla ja kuljetussopimusten solmimisella. Lujitteiden leikkausta yrityksen päätoimiseksi liiketoiminnaksi ei kannata harkita, jollei lähialueella ole merkittäviä lujitteita jatkojalostavia yrityksiä. 6.2 Vaihtoehtoiset materiaalit ja valmistusmenetelmät Tutkimuksen tavoitteena oli löytää vaihtoehtoisia muovimateriaaleja ja valmistusmenetelmiä veneissä käytettävien pienosien valmistukseen. Tutkimustuloksista on tehty raportti MAT09-39000- 005. Veneiden pienosilta vaaditaan hyvää iskunkestävyyttä, jäykkyyttä, säänkestoa ja pinnanlaatua. Valmistusmenetelmien osalta tutkimuksessa rajattiin pois liian suuria valmistussarjoja vaativat menetelmät ja ylilaatua tuottavat menetelmät. Tutkimuksessa on selvitetty Light RTM:n, polyuretaaniruiskutteiden, RIM-menetelmän, tyhjiömuovatun ABS-rakenteen ja GMT:n (Glass Mat Reinforced Thermoplastics) soveltuvuutta veneosien valmistukseen kustannusvertailuin ja sanallisin vertailuin. Lisäksi Prepregejä, alipaineinjektiota ja RIDFT-menetelmää (Resin Infusion between

13 Double Flexible Tooling) on analysoitu kirjallisesti. Raportin kustannusvertailussa kustannustehokkaimmaksi menetelmäksi pienillä alle 2000 luukkusarjan valmistusmäärillä selvisi Light RTM, tätä suuremmilla tuotantomäärillä SRIM todettiin tuotantotehokkaimmaksi. Luukkusarjalla tarkoitetaan neljän eri luukun muodostamaa sarjaa. Kuvassa 6.2.1 on kuvattu yhden veneosasarjan valmistuskustannukset eri menetelmillä. Yhden sarjan valmistuskustannus 250 Käsilaminointi Light RTM Multitec SRIM ABS-sandwich GMT-sandwich 200 150 [ /kpl] 100 50 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 Valmistusmäärä Kuva 6.2.1 Kustannusanalyysi veneosien valmistamisesta eri menetelmillä.

14 7. Pitkien hoikkien lujitemuovituotteiden valmistus Pitkiä, hoikkia lujitemuovituotteita kuten valaisinpylväiden runkoputkia pystytään valmistamaan monella eri tavalla. Suurimpana haasteena on löytää kustannustehokas valmistusmenetelmä. Suurimpina rajoittavina tekijänä ovat tuotteen geometria sekä tuotteelta vaadittavat ominaisuudet mm. jäykkyys. Myös tuotantomäärät karsivat menetelmiä. Muutaman sadan tuotteen takia ei kannata kalliita muotteja hankkia. Injektiomenetelmät soveltuvat erinomaisesti pienten tuotantomääräisten tuotteiden valmistukseen ja kuitusuunnat sekä geometria harvoin aiheuttavat ylitsepääsemättömiä ongelmia. Valitettavasti menetelmä on käsityövaltainen, jolloin työkustannukset nousevat helposti liian korkeiksi. Lisäksi tuotteiden laatu vaihtelee helposti työntekijöiden vaihtuessa. Tässä osiossa selvitetään, millä menetelmillä voidaan Tehometin törmäysystävällinen valaisinpylväs valmistaa. Voiko nykyistä tuotantomenetelmää parantaa? Mitä muita valaisinpylvään osia voidaan valmistaa? Mitä muita valmistusmenetelmiä on tarjoilla turvapylväiden ja dekoratiivisten valaisinpylväiden valmistukseen?

15 7.1 Törmäysystävällisen valaisinpylvään rakenne Valaisinpylväs koostuu neljästä eri komponentista (ks.kuva 7.1.1): jalusta (1), runko (2), valaisinvarsi (3) ja valaisin (4). Valaisinvarret voivat olla epäsymmetrisiä, jolloin valaisinvarsi on vain yhdellä puolella, tai symmetrisiä, jolloin valaisinvarsi muodostaa T-kirjaimen. Symmetrisen valaisinvarsien ulottumien (M1 ja M2) ei tarvitse olla samanpituisia. 3 4 4 4 3 2 2 1 Kuva 7.1.1 Epäsymmetrinen kartiopylväs (vasemmalla) ja symmetrinen olakkeellinen pylväs (oikealla) Valaisintolpan jalustat ovat teräsbetonia. Jalusta upotetaan maan sisään siten, että pylvään asemointia varten tarkoitetut ruuvit voidaan kiristää. Jalustassa on läpiviennit sähkökaapeleille. Tolpan runko on perinteisesti valmistettu joko sinkitystä teräsputkista tai mankeloiduista levyistä. Törmäysystävällisessä tolpassa käytetään lasikuitulaminaattia, johon on sijoitettu muutamia täysipitkiä teräsvahvikkeita. Lasikuitutolpan törmäyskäyttäytyminen poikkeaa huomattavasti terästolpasta. Kun auto törmää lujitemuoviseen tolppaan, se ensiksi litistää tolpan lyttyyn, jonka jälkeen tolppa alkaa kelautua auton alle. Tolppa kelautuu auton alle niin kauan, kunnes latva laskeutuu auton katolle muodostaen auton keulan ympärille silmukan. Tässä vaiheessa auto joko pysähtyy tai auto irrottaa liike-energiallaan tolpan jalustasta. Metalliset tolpat eivät ala missään vaiheessa kelautumaan, vaan ne muodostavat silmukan litistymisen jälkeen ja joko repeytyvät tai 1

16 irtoavat jalustasta. Komposiittipylväässä joudutaan käyttämään teräsvahvikkeita, koska ilman niitä tolppien staattiset taipumat eivät täytä viranomaisvaatimuksia. Lisäksi törmäystolppa, joka on tehty kokonaan lasikuitukomposiitista, katkeaa helposti törmäystilanteessa. Teräsvahvikkeet estävät katkeamisen. Valaisinvarret on valmistettu pääosin teräsputkesta. Valaisinvarsi liitetään komposiittiosan sisään pujotettavalla holkilla, joka kiinnitetään joko liiman tai ruuvien avulla. Varressa oleva kaulus estää valaisinvarren putoamisen komposiittiosan sisään. Valaisinvarsi kiinnitetään valaisimeen ruuvien avulla. 7.2 Nykyinen tuotantomenetelmä ja sen kehittäminen 7.2.1 Nykyisen tuotantomentelmän kuvaus Nykyisin valaisinpylväiden runkoputkia valmistetaan alipaineavusteisella RTM:llä. Käytetty muotti on tehty lasikuidusta ja sen runkoa on vahvistettu teräspalkein jäykäksi. Muotti koostuu kahdesta osasta, avattavasta ulkomuotista sekä paisuvasta tuurnasta. Paisuva tuurna koostuu kartioputkesta, jonka päälle on asennettu kalvopussi. Lujitteet ja teräsvahvikkeet kääritään tuurnan ympärille. Koko paketti asetetaan muotti. Muotti suljetaan kääntämällä ylämuotti saranoiden varassa alamuotin päälle. Muottien väliset tiivisteet puristetaan kasaan vetotankojen avulla. Muotin sulkeminen on kuvassa 7.2.1. Kuva 7.2.1. Injektiomuotin sulkeminen Kartioputken ja kalvon väliin johdetaan paineilmaa, jolloin pussi paisuu pakottaen lujitteet ulkomuottia vasten. Muottipesään synnytetään alipaine imemällä ilma muotin latvapäästä. Muotin

17 latvapää (imupää) nostetaan ylös ilman poistumisen helpottamisesta. Hartsin syöttö tapahtuu paineella tyvipäästä. Putken annetaan kovettua muotissa. Irrotuksen jälkeen putkeen leikataan kytkentäaukko ja varustetaan se. Lisäksi syntyneet purseet tasoitetaan pois ja jäljet maalataan. Menetelmän hyviä puolia on hyvä pinnanlaatu, suhteellisen alhaiset investointikustannukset sekä menetelmä mahdollistaa erilaisten lujitteiden käytön. Suurimpina ongelmina on ollut työvoimavaltaisuus sekä laatuvaihtelut. Menetelmässä on monta käsityövaihetta: gelcoatin levitys, lujitteiden leikkaus, tuurnan ympärille käärintä, muotin sulkeminen ja tiivistys, kytkentäaukon teko sekä purseiden poisto ja maalaus. Näistä voidaan joitain työvaiheita automatisoida mm. lujitteiden leikkaus ja muotin sulkeminen. Valitettavasti automaation lisääminen kasvattaa perustamiskustannuksia. Kun pylvään kysyntä arvioidaan olevan korkeintaan 3000 kpl/vuosi, ei kovin suurta automaatiota kannata investoida. Esim. pelkästään tolpan tuotantoon sähkökäyttöisillä käsileikkureiden käyttö on edullisinta, jos tuotantomäärät ovat alle 3700kpl/vuosi. Automaattisen leikkurin hankinta tulee edullisemmaksi, jos leikkuria voidaan käyttää myös muiden tuotteiden valmistuksessa. Laatuvaihteluihin vaikuttaa menetelmän käsityövaltaisuus sekä itse muotit. Ongelmia ovat aiheuttaneet muotin tiivistys. Kyseessä on iso painava muotti, jossa on paljon tiivistettäviä saumoja. Muotin saaminen ilmatiiviiksi edellyttää huolellista työskentelyä. Paljon suuremmat ongelmat on aiheuttanut sisämuotin kalvosäkin puhkeaminen. 7.2.2 Kalvosäkin materiaalin valinta Paisuvan tuurnan tarkoituksena on pakottaa lujitteet ja vahvikkeet ulkomuottia varten. Kun tolppa on kovettunut, poistetaan tuurnasta ilma, jolloin se on helposti vedettävissä pois tolpan sisältä. Valitettavasti sopivan kestävän ja viruvan kalvomateriaalin löytäminen oli osoittautunut haasteelliseksi. Ensimmäinen käytössä ollut säkkimateriaali oli silikonikumi, jota käytettiin teräksisen tuurnan ympärillä. Yleensä silikoni säkki repesi tuurnaa ulos vedettäessä jo toisella käyttökerralla. Osa syynä oli ahdas tuurna, jolloin silikoni pääsi hiertymään tolpan sisäpintaan. Lisäksi useamman käyttökerran jälkeen silikonissa alkoi esiintyä haurastumia, joiden epäiltiin syntyvän styreenistä. Terästuurna korvattiin myöhemmässä vaiheessa pienemmällä lujitemuovisella tuurnalla. Uuden paineistetun tuurnan latvan halkaisija kaksinkertaistuu eli materiaali venyy 100%. Säkkimateriaalin etsinnästä tehtiin selvitystyö (raporttinumero MAT08-39000-006) Selvityksessä tutkittiin kuinka hyvin käytettävissä olevat tuurnamateriaalit palautuvat venytyksestä ja jääkö niihin pysyviä virumia. Mekaanisten testien perusteella laskettiin kuinka suuren ilmanpaineen paisuva tuurna vaatii saavuttaakseen tarvittavan venymän. Myös tutkittiin, kestävätkö tuurnamateriaalit suoraa kosketusta polyesterihartsin kanssa. Testattavana oli kolme eri materiaalia Teknikum Oy:ltä: NR, FKM ja FKM/CSM. NR on luonnonkumi, FKM on fluorikumi, jota myydään tuotemerkillä Viton. FKM/CSM on fluorikumi, johon on vahvikkeeksi lisätty kloorisulfonoitua polyteenikumea.

18 Tulokset Eri tuurnamateriaaleille saatiin eroavaisuuksia virumis- ja hartsinsietokäyttäytymisen osalta. NR oli näytteistä ainoa, johon ei jäänyt pysyvää virumaa kaksi tuntia kestäneen 100 %:n venytyksen jälkeen. FKM ja FKM/CSM näytteet viruivat testin aikana kymmenisen prosenttia. Kahden tunnin palautumisen jälkeen viruma oli edellä mainituilla näytteillä jo selvästi pienempi, mutta kumpaakin jäi silti muutaman prosentin pysyvä viruma. Vetokokeiden tulosten perusteella voitiin laskea, että tarvittava ylipaine paisuvan tuurnan täyttämiseksi 35 mm:n halkaisijasta 70 mm:n halkaisijaan oli eri materiaaleilla seuraava: NR 1,1 bar, FKM 1,8 bar, FKM/CSM 4,6 bar. Lisäksi voitiin todeta, että NR oli näytteistä ainoa, joka silmämääräisesti arvioituna ei kestänyt pitkäaikaista altistusta polyesterihartsille. Testien perusteella säkkimateriaaliksi parhaiten soveltuu luonnonkumi NR, vaikka se on huono kestämään styreeniä. Ratkaisuna styreeniongelmaan on käyttää alipainekalvosta tehtyä säkkiä, joka vedetään tuurnan päälle ennen lujitteiden laittoa. Valitettavasti tämä säkki tulee olemaan kertakäyttöinen, joten se lisää materiaalikustannuksia. Pienten tuulivoimaloiden rungot 7.2.3 Laskenta-Caset RTM-pylväille Selvityksen tarkoituksena oli tarkastella, soveltuuko lujitemuovinen runkorakenne 6m korkean 2kW:n tuulivoimalan rakenteeksi. Tarkasteltavat rakenteet olivat teräsvahvikkeinen lujitemuovipylväs, joka oli tehty 12m pylvään muotilla, sekä täyslujitemuovinen kartiopylväs kahdella eri tyvihalkaisijalla. Eri rakenteita on vertailtu keskenään pääasiassa jännitysten ja venymien perusteella. Raportissa on vertailtu myös eri kiinnityslaippoja. Selvitys on tarkemmin raportissa MAT08-39000-005. Laskentojen perusteella lujitemuovinen runkorakenne on mahdollinen. HE2-Turvapylvään laskennan päivitys Tehtävänä oli laskea komposiitti-valaisinpylvään siirtymät ja venymät/jännitykset standardin SFS- EN 40-3-1 edellyttämillä tuulikuormilla. Valaisinpylväs koostuu teräslatoin vahvistetusta laminaattiosasta ja teräksisestä valaisinvarsiosasta. Pylvään korkeus maan pinnasta on 10 m. Valaisinvarren ulottuma on 1,5 m. Valaisimen paino on 15 kg. Laskentaraportin numero on MAT08-39000-001. Laskennan perusteella valaisinpylvään valaisin siirtyy 718mm tuulen suunnassa. Suurimmat laminaattien venymät ovat alle 0,16%. Teräsvahvikkeiden suurimmat jännitykset ovat 249MPa. Pylväs kuuluu taipumaluokkaan 3 (>690mm). Käyttämällä 10kg valaisinta valaisinpylväs kuuluisi taipumaluokkaan 2. Samalla terästen jännitys pienenee. Nykyinen jännitystila edellyttäisi käyttämään teräksenä S355J0.

19 Täysilujitemuovisen pylvään geometrian selvittäminen Törmäystolpan nykyinen geometria edellyttää teräsvahvikkeiden lisäämistä, jotta valaisinpylvään jäykkyys on riittävä viranomaisille. Selvitystyön tarkoituksena on selvittää, minkälainen täysin lujitemuovista tehdyn pylvään rungon pitäisi olla, jotta se olisi riittävän jäykkä järkevällä seinämän paksuudella. Selvitystyö on tarkemmin raportissa MAT08-39000-002. Laskennat tehtiin sekä yksi-vartiselle että T-vartiselle valaisinpylväälle, jonka korkeus on 10m. Ulottuma yksi-vartisilla pylväillä oli 1,5m ja T-vartisilla 1m. Valaisimien massa oli 15kg. Pylvään lujitemuovinen runko on kartio, jonka latvahalkaisija on 89mm. Laskennat suoritettiin tyvihalkaisijoilla 250mm ja 300mm. Kartioputken pituus on 9,1m, josta 600mm on upotettu maahan. Pylväiden mitat ovat alla olevassa kuvassa. Kuva 7.2.3.1 Lujitemuovisen pylvään laskentamallit Kummassakin tapauksessa tyvihalkaisija D300mm antaa riittävän jäykkyyden. Yksi-vartisen seinämän paksuus oli 7mm ja T-vartisen 11mm. Valaisinvartta ja sen kiinnitystä ei tutkittu tarkemmin. Suositeltavaa on, että valaisinvarren kiinnitys toteutetaan tukevammin molemmilla pylvästyypillä. Tuentapituus olisi syytä olla pitempi kuin laskentamallissa, jossa oli M8 ruuveja 3+3 kpl (tuentaväli 200 mm). Komposiittiosaankin kohdistuu kiinnityskohdissa paikallisesti vähemmän kuormitusta tuentatavan parantuessa ja tuentapituuden kasvaessa. 7.2.4 Lujitemuovisen HE2-turvapylvään taivutuskokeet Tehtävänä oli testata vastaako FE-laskennassa saadut tulokset todellisuutta. Samalla testattiin millä voimalla lujitemuovinen turvapylväs murtuu. Testeissä sovellettiin standardia EN 40-3-2. Lisäksi pylvään laminaattirakenteelle tehtiin veto- ja polttokokeet ja tuloksia verrattiin törmäyskokeissa

20 käytettyjen pylväiden laminaattien rakenteeseen. Esmarin Composites Oy Ltd valmisti testeihin kaksi kappaletta HE2-törmäysluokan turvapylvästä. Pylvään nimelliskorkeus on 10m ja ulottuma 1,5m. Pylväs koostui 9,1m pitkästä teräksillä vahvistetusta lujitemuovisesta kartioputkesta sekä teräksisestä valaisinvarresta. Testit tehtiin Tehometin Parikkalan puupylvästehtaalla 11.5.2009. Testi toteutettiin siten, että pylvään tyvi oli kiinnitetty jäykästi teräsjigiin ulokepalkiksi. Pylvään upotussyvyys jigiin oli sama kuin käytettäessä betonisia pylväsjalustoja. Ensimmäisessä vaiheessa pylväs suoristettiin vastapainojen avulla. Siirtymät mitattiin kolmesta kohdasta rullamitalla lattiasta. Mittauskohdat olivat luukun yläreuna, valaisinvarren liitoskohdasta sekä valaisimen kiinnityskohdasta. Ennen testien aloittamista lattian suoruus tarkistettiin. Tämän jälkeen pylvääseen lisättiin sepelillä täytettyjä säkkejä kuvaamaan suunnittelutuulikuormaa. Toisessa vaiheessa pylväs taivutettiin ulokepalkkina pylvään liitoksen kohdalta (valaisinvarsi poistettu) trukin avulla. Nostokohtaan oli kiinnitetty trukin haarukoihin nostoliinoilla. Nostoliinoihin oli asennettu Tamtronin BCS-D 1000kg-nosturivaaka mittaamaan taivutusvoimaa. Testijärjestelyt ovat alla olevissa kuvissa. Kuva 7.2.4.1. Vasemmalla pylvästä kuormitetaan suunnittelupainoilla, Oikealla murtotestiyritys. Taivutuskokeiden perusteella HE2-turvatolppa kuuluu taipumaluokkaan 3, jos käytetään 15kg valaisinta. Taipumaluokka 2 pääseminen edellyttäisi käyttämään alle 10kg valaisimia. Kuormitusten poistettua sekä E1 että E2 eivät täysin suoristuneet. Standardi EN 40-7 edellyttää, että lujitemuovisen valaisinpylvään jäännöstaipuma ei saa olla enempää kuin 5% kuormituksen alaisesta taipumasta. Pylväiden jäännöstaipumat olivat hyväksyttävissä rajoissa. Murtotaivutuskoe osoitti, että lujitemuovinen turvapylväs kestää hyvin laskennassa käytetyn tuulikuorman. Laskettu tuulikuorma aiheuttaa tolppaan 8,8kNm tyvimomentin. Tolppaa taivutettaessa aiheutettiin tolpan tyveen 33,4kNm taivutusmomentti, jolloin laminaatti napsui, muttei murtunut.

21 7.3 Plymin menetelmä Yhtenä lipputankoja valmistusmenetelmänä käytetään Plymin menetelmää. Menetelmä on kuvattu seuraavissa kuvissa. Kuva 7.3.1. Plymin menetelmä Siinä lujitteet kääritään paineistettavan tuurnan (9) ympärille. Varsien väliin on asennettu vahva, joustava kalvo (6), joka muodostaa putken ulkopinnan. Hartsi (8) kaadetaan kalvon päälle. Lujite+tuurna-paketti asetetaan hartsin päälle. Kalvo suljetaan. Tuurna paineistetaan, jolloin hartsi levittäytyy ympäri putkea pakottaen ilman ja liian hartsin pois hahlosta (10). Tehometin hollantilainen kilpailija Spectralyte Nederland BV on tehnyt menetelmästä sovelluksen, jossa hartsin syötetään putkea 19 pitkin. Muottiin synnytetään alipaine kuvan 7.3.2 mukaisella lukitusmekanismin avulla. Sovellus on kuvattu tarkemmin patentissa WO 2005/099989. Kuva 7.3.2. Spectralyten patentoima menetelmä

22 Menetelmän ansiosta päästäisiin eroon raskaasta ulkomuotista. Tämä säästää perustamiskustannuksissa, jos tolpan geometriavariaatioita on paljon. Työn määrää menetelmä ei sanottavasti vähennä. Kun käytännössä Tehometin tuotevalikoima käsittää 1-3 erilaista geometriavariaatiota / pylvään korkeus, ei menetelmässä nähty saavutettavan sanottavasti etu. Tämän ja paljastuneen patentin myötä todettiin työpalaverissa 31.10.2008 Esmarinilla, että menetelmää ei kannata enempää tutkia. 7.4 Pultruusio Pultruusio on täysin automatisoitu valmistusmenetelmä jatkuville, yleensä vakiopoikkileikkauksellisille lujitemuoviprofiileille. Lipputankojen valmistuksessa menetelmää on käyttänyt UK-Muovi Oy. UK-Muovi lopetti lipputankojen valmistuksen vuoden 2010 alussa ja etsii tilalle alihankkijaa (tiedusteltu 8.6.2010). Pultruusiolaitteistoa ennen on lujitteiden syöttöyksikkö, kasteluyksikkö sekä esimuovausmuotti. Itse varsinaiseen pultruusiolaitteeseen kuuluvat lämmitettävä muotti, vetokone ja katkaisusaha. Prosessi alkaa, kun jatkuvia lujitteita vedetään rullista. Lujitteet kyllästetään hartsilla ja muovataan esimuotilla profiilin muotoon. Esimuovauksen jälkeen lujiteaihio vedetään kuumennetun metallimuotin lävitse. Muotin lämpö käynnistää hartsissa eksotermisen reaktion ja kappale kovettuu. Kovettunut, mutta kuuma profiili jäähdytetään joko ilmalla ja/tai vedellä. Muotin jälkeiset vetotarraimet tarttuvat profiiliin ja vetävät sitä. Viimeisenä katkaisusaha pätkii profiilin määrämittoihin. Kuvassa 7.4.1 on esitetty pultruusioprosessin periaate. Valmistusnopeudet vaihtelevat 0,025-5 m/min. Tyypillinen valmistusnopeus on n. 2 m/min. Kuva 7.4.1 Pultruusioprosessin periaate Erikoisjärjestelyillä voidaan profiilin poikkileikkausta vaihdella ajon aikana. Tämä edellyttää monivaiheista säädettävää muottia. YTI testasi Exelin pultruusiolla valmistamaa törmäystolppaa 2008. Tarvittavat rautavahvikkeet saatiin sijoitettua hyvin rakenteeseen ja tolpan pinnanlaatu oli hyvä. Törmäystolppa on testiradalla kuvassa 7.4.2. Törmäyskokeessa tolppaa vedettiin rautatiekiskoilla törmäyskelkkaa, joka törmäsi tolppaan 50km/h nopeudella. Törmäyksen seurauksena pylväs nousi jalustasta ilman, että kelkan nopeus olisi hiljentynyt. Kyseessä on NE-luokan turvapylväs. Törmäyshetki on kuvassa 7.4.3.

23 Kuva 7.4.2. Pultruusiolla valmistetun turvatolpan asennus testiradalla Kuva 7.4.3. Pultruusiolla valmistetun turvatolppa törmäystestissä NE-pylväitä valmistetaan sekä alumiinista että puusta. Näihin verrattuna pultruusion käyttäminen NE-turvaluokan valaisinpylvään valmistamiseen on liian kallista. Pultruusion suurempia rajoituksia ovat käytännössä putken vakiopoikkipinta-ala, korkeat muottikustannukset sekä prosessin vaihtamisesta syntyvät työkustannukset. Käytännössä

24 menetelmä edellyttää suuria valmistusmääriä. Dekoratiivisia pylväiden valmistukseen menetelmä soveltuu, jos valmistajalta löytyy valmiit muotit. Kuvassa 7.4.4. on Tehometin toimittamia Pultruusiolla valmistettuja dekoratiivisia pylväitä Vantaalla. Kuva 7.4.4. Tehometin Pultruusiolla tehtyjä dekoratiivisia pylväitä, kuva Tehometin esitteestä. 7.5 Keskipakovalu Pylväsmäisiä lujitemuovituotteita voidaan valmistaa keskipakovaluna. Keskipakovalumenetelmässä teräsmuottiin laitetut lujitteet ja hartsi painautuvat keskipakovoiman vaikutuksesta tiukasti ja tasaisesti muottipintaa vasten, jolloin syntyy pylväsmäinen lopputuote. Keskipakovalututkimuksista on tehty raportti MAT10-39000-002. Esiselvitysvaiheessa selvitettiin Euroopassa toimivat keskipakovalua hyödyntävät yritykset. Itävaltalainen Hobas valmistaa putkia, joiden halkaisijat ovat välillä DN 200 2700. Espanjalainen Adhorna valmistaa lasikuitulujitteisia valaisinpylväitä ja lipputankoja keskipakovaluna. Kyseisiä tolppia valmistetaan vastaamaan standardia UNE-EN-40-7 ja tolppien korkeus on välillä 3 14 m. Saksalainen Pfleiderer Europoles hyödyntää myös keskipakovalumenetelmää. Kuvassa 7.5.1. on esitettynä hartsin levitys Pfleidererin menetelmässä. Intialainen Kemrock ja Italialainen Top Glass S.P.A:kin tarjoavat keskipakovaluna valmistettuja pylväitä.

25 Kuva 7.5.1. Kuva Pfleidererin keskipakovalumenetelmän hartsin ruiskutuksesta. YTI rakensi omalle laboratoriolleen yksinkertaistetun keskipakovalukoelaitteiston. Pyörivänä muottina käytettiin Tehomet Oy:ltä saatua kartiokasta teräsputkea. Putkeen teetettiin tuennat ja laakeroinnit ja putken ympärille tehtiin puinen laatikko. Putkea pyöritettiin AEG:n iskuporakoneella. Putkeen yritettiin saada tasainen sisäpinta, jonka päälle levitettäisiin irroitusaine, geeli, lujitteet, vahvisteteräkset ja sidehartsi. Testejä suoritettiin vedellä, eri pinnoitehartseilla ja eri irroitusaineilla. Nestemäiset hartsit kaadettiin viistossa olevaan pyörivään muottiin erillistä sisäputkea myöten. Kuvassa 7.5.2. on esitettynä valmis YTI:n prototyyppitolppa. Kuva 7.5.2 YTI:n valmistama prototyyppitolppa.

26 YTI:n testien perusteella menetelmä vaatii panostusta muottiin, lämmitysjärjestelmään, pyörityslaitteistoon ja hartsinlevittämisjärjestelmään. Testien jälkeen epäselvää on edelleen: - miten muotti tulee pinnoittaa irrotuksen onnistumiseksi, - miten putki on kerroksittain valettava, jotta se irtoaisi, - miten muotin lämmitys ja jäähdytys tulee suorittaa, - miten muotin pyörimisnopeus vaikuttaa syntyvään tuotteeseen, - miten teräslatat voidaan asettaa muottiin järkevästi, jos niitä tarvitaan, - miten hartsin levitys onnistuu kartiokaan muotin pinnalle tasaisesti ja - miten kustannustehokas menetelmä keskipakovalu on parhaimmillaan. Lisätutkimuksia vaadittaisiin lisätiedon saamiseksi. 7.6 Kuitukelaus Kuitukelaus on yksinkertainen ja tehokas menetelmä valmistaa pyörähdyskappaleita. Prosessissa jatkuvaa lujitetta (rovinki, touvi, kudos, multiaksiaali jne.) kostutetaan hartsialtaassa ja kelataan tuurnan ympärille, kunnes haluttu paksuus ja lujitepitoisuus saavutetaan. Kelauksen jälkeen kappale kovetetaan esim. uunissa tai huoneenlämmössä. Kovetuksen jälkeen tuurna poistetaan ja kappale viimeistellään sopiviksi. Kappaleiden halkaisijat voivat vaihdella muutamista millimetreistä useisiin metreihin ja niitä rajoittavat ainoastaan kelauskoneiden geometria sekä tuurnan koko ja paino. Kuvassa 7.6.1 on esitetty kelauksen periaate. Kuva 7.6.1. Kuitukelauksen periaate Kuitukelauksessa käytetään jatkuvia kuituja, joten kappale on rakenteellisesti vahva. Prosessi itse asiassa vaatii kuidun olevan jatkuvaa, koska hartsin ylivuoduttuminen, kerrosten tiivistyminen ja huokosten poistuminen edellyttävät, että kuidussa on kelauksen aikana vetojännitys. Lujitteet voivat olla nauhamaisessa muodossa, jolloin myös katkokuitujen käyttö on mahdollista. Kelauksessa tuurna määrää kappaleen muodon. Tuurnan ei välttämättä tarvitse olla pyörähdyssymmetrinen, vaan lähes mikä tahansa muoto käy, jos siinä ei ole kelaussuunnassa sisäänpäin vetäytyviä pintoja. Monimutkaisten kappaleiden valmistaminen on tullut mahdolliseksi, koska kelauslaitteet, robotit ja niitä ohjaavat tietokoneet ovat kehittyneet viimeisten 20 vuoden aikana. Kelauksella voidaan valmistaa mm. 90 -putkimuhveja sekä T-haaroja. Koska kelausprosessi on pitkälti automatisoitua, valmistuksessa voidaan päästä hyviin hyötysuhteisiin. Lujitteiden kelausnopeus, valmistusnopeuden mitta riippuu valmistettavan kappaleen monimutkaisuudesta ja kappaleen käyttötarkoituksesta. Yksinkertaisia kappaleita mm. putkia voidaan valmistaa 150 1500 kg/h. Monimutkaisia kappaleita, joissa on suurlujuuksisia

27 lujitteita tai tavoitteena on suuri lujitepitoisuus, valmistetaan 5-100 kg/h. 7.6.1 Kelatut käyrät valaisinvarret Osion tavoitteena oli selvittää, voidaanko lujitemuovisia käyriä valaisinvarsia ja valaisinpylväitä valmistaa kelaamalla. Osio tehtiin yhteistyössä CSI Composite Solutions and Innovations Oy:n kanssa. Valaisinvarren laskenta Tutkittavaksi kohteeksi otettiin teräsvalaisinpylväs, jossa on käyrä lujitemuovinen valaisinvarsi. Valaisinvarren sisään on tarkoitus asentaa led-valaisimet, jolloin valaisinvarsi kuultaa lävitse. Robotilla pystytään kelaamaan putkikäyriä suoraan käyrän tuurnan päälle, mutta tässä osiossa haluttiin kokeilla harvemmin käytettyä valmistusmenetelmää. Siinä valaisinvarsi valmistetaan siten, että ensin kelataan suora putki. Kelauksen jälkeen putki taivutetaan muotoonsa. Kuva 7.6.1.1. Kelattu valaisinvarsi Ennen valmistuskoetta suoritettiin karkea FE-laskenta valaisinvarren mittojen määrittämiseksi. Laskennan perusteelta kokeiltavan valaisinvarren nimellismitat olivat D75mm/d65mm. Putken pituus oli 2m. Myöhemmin laskenta päivitettiin, kun saatiin valmistetuista putkista tarkemmat materiaaliarvot. Päivitetyn raportin numero on MAT09-39000-008. Valaisinvarren valmistus ja testaus Valmistuskokeet suoritti CSI Composite Solutions and Innovations Oy. Valmistuskokeista ja valaisinvarren testeistä laadittiin raportti MAT09-39000-009. Valaisinvarren valmistus aloitettiin kelaamalla E-lasilankaa alumiinimuotin päälle. Kelauksen jälkeen suora putki lämmitettiin, jonka jälkeen putki taivutettiin jigissä muotoonsa nopeasti. Putki jäähdytettiin jigissä vapaasti ilmassa. Koeajoissa kokeiltiin eri seinämäisiä putkia, eri kelauskulmia, kahta polyesterihartsia ja yhtä vinyyliesterihartsia sekä eri taivutuslämpötiloja välillä 90-130C.