Kemi-Tornion ammattikorkeakoulun metallialan oppimis- ja innovaatioympäristö

M-Lab/Hydro+ -hanke mahdollisti materiaalien käytettävyyden soveltavan tutkimuksen

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 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 maakuntaohjelma 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 markkinoiden hakeminen ja uusien tuotteiden kehittäminen ovat avainasemassa.” Näin ollen alueen PK‐yritykset ovat ensisijainen yritysyhteistyötaho ja aluekehitystyö tätä kautta tärkeässä asemassa. Tiivis yhteistyö, joka on kehittynyt kahden suomalaisen teräksentuottajan, Ruukin ja Outokummun, kanssa takaa viimeisimmän ja maailmanlaajuisesti huippuluokan tiedon ruostumattomista ja ultralujista kulutus‐, rakenne‐ ja suojausteräksistä ja niihin liittyvästä teräsrakentamisesta 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, jo sa 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) Thermonoran energiadispersiivisellä alkuaineanalysaattorilla (EDS) varustettuna, Ascott suolasumutestilaitteisto (kts. kuva 1), olosuhdekammio ja strauss‐testilaitteisto.

Kuva 1. Projekti‐insinööri, ins.(AMK), tekn. yo. Tiina Rissanen lataamassa näytteitä Ascott’in suolasumukammioon.
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 tuottaa 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 täydennettynä (kuva 2a). Kokonaisuutta hallitsee KUKA–robotti, joka mahdollistaa 3D‐leikkauksen ja hybridihitsauksen. Tandem mig/mag‐laitteisto edustaa suurtehomenetelmiä. Hitsauskoulutusta varten on hankittu 10 etävalvottua mig/mag‐työasemaa (kuva 2b).

Kuva 2. a) Robotisoitu hybridilaser‐hitsausasema,
Kuva 2. 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‐ tarkasteluja ANSYS Academic Teaching Introductory ‐ohjelmistolla. Koesuunnittelu ja tilastollinen analysointi hoidetaan Minitab®16:lla ja mittaussovelluksia tehdään NI LabView 8.0 Signal Expresillä.

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 terästen 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 tällä mittaussovelluksella.

Kuva 3. a) takaisinjouston mittaus käynnissä,
Kuva 3. a) takaisinjouston mittaus käynnissä,
Kuva 3. b) särmäyksen takaisinjouston mittaussovelluksen käyttöliittymä
Kuva 3. 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 hoitaa 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.
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 ongelmiin ja niiden ratkaisuihin. Hallinnoimme verkostoa, jossa materiaalitietämys ja tuotevalmistus kohtaavat”, toteaa projektipäällikkö Rauno Toppila. Tämä toimintatapa tuottaa tietoa kaikille osapuolille ja ennen kaikkea ratkaisuja terästen käyttäjien mahdollisiin ongelmiin. Aluekehityksen kannalta hanke on tuottanut 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 hitsausohjeita (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 sisällä nikkeliä.

Taulukko 1. Lämmöntuonnin vaikutus EN 1.4016 teräksen lämpövyöhykkeen mekaanisiin ominaisuuksiin.
Taulukko 1. Lämmöntuonnin vaikutus EN 1.4016 teräksen lämpövyöhykkeen mekaanisiin ominaisuuksiin.

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‐järjestelmällä saadaan esim. vetokokeessa perinteiseen ekstensometrimittaukseen verrattuna tieto materiaalin muovautumisesta koko mitta‐ alueelta ja näin ollen määritettyä huomattavasti aiempaa monipuolisemmin ja tarkemmin materiaalin plastisia ominaisuuksia.

Kuva 5. GOM/Aramis‐järjestelmällä ultralujalle rakenneteräkselle määritetty true stress – true strain ‐käyrä.
Kuva 5. GOM/Aramis‐järjestelmällä ultralujalle rakenneteräkselle määritetty true stress – true strain ‐käyrä.

Järjestelmällä voidaan määrittää myös tasopintojen muotoja (GOM Atos/Tritop) ja saattaa ne digitaaliseksi tiedoksi. Tyypillinen sovelluskohde on rakenne, josta ei ole käytettävissä kunnollista 3D‐mallia. Tällainen rakenne voidaan kuvata GOM Atos/Tritop ‐järjestelmällä ja muokata saatua 3D‐ mallia sitten eteenpäin.

Kuva 6. GOM Atos/Tritop –järjestelmällä kuvattu teräslevy ja sen syvyys referenssitasoon nähden.
Kuva 6. GOM Atos/Tritop –järjestelmällä kuvattu teräslevy ja sen syvyys referenssitasoon nähden.

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 hyvinkin 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‐ hanke (2010–2013), jossa olemme nimettynä alihankkijana. Tutkimusalihankkijan (subcontractor) roolissa ollaan oltu mukana myös eurooppalaisen RFCS:n (Research Fund for Coal and Steel) 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 edustaa 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 tuke aa ja alueen elinkeinorakenteen huomioon ottavaa soveltavaa tutkimus‐ ja kehitystyötä sekä taiteellista toimintaa. Tehtäviään hoitaessaan ammattikorkeakoulujen tulee edistää elinikäistä oppimista…” (Laki ammattikorkeakoulusta).

Tämä tarkoittaa sitä, että tutkimustoiminnan 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.
  • Lapissa suurten ikäluokkien poistuminen työmarkkinoilta merkitsee noin 37 000 henkilön 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 toimintaa 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 hankkeissa mahdollisimman paljon. Pelkästään tälle vuodelle opintopistekertymä on jo luokkaa 300. Opiskelijat tekevät projekteihin ja toimeksiantoihin liittyen opinnäyte‐, erikois‐ ja harjoitustöitä ja tuovat toimintaan 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 mit aamisessa 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 kaivoksia ja niiden alihankkijoita.
Energiateollisuuden tarpeita ja vaatimuksia teräsrakentamiselle selvitellään oppilasprojektityönä. Keväällä 2010 tehtiin kattava kaivosten toimialakatsaus (Tiina Rissanen 2010).

Tulevaisuus

Tulevaisuudessa Kemi‐Tornion ammattikorkeakoulun materiaalien käytettävyyden tutkimus yhmän tavoitteena on kasvaa kansainvälisestikin tunnetuksi materiaalien käytettävyyden erityisesti ruostumattomien ohutlevyratkaisujen liittämisen ja muovaamisen osalta.

Toinen selkeä osaamisalue liittyy 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 haasteensa, joihin tullaan myös panostamaan ja hankki aan 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 kanssa sekä tiivistä ja jatkuvaa alueellista yhteis‐ ja kehitystyötä metallialan yritysten kanssa.

Kirjoittaja

Timo Kauppi, tutkijayliopettaja, timo.kauppi@tokem.fi, Kemi‐Tornion ammattikorkeakoulu

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.