Paineen alla? Avaruustekniikka auttaa!

Supervahva uusi materiaali toi insinööreille monimutkaisia haasteita. Hyvä uutinen oli se, että uusi superluja rakennemateriaali oli saatavilla. Sen sijaan harmaita hiuksia tuli siitä, että materiaali oli täysin uusi ja edusti korkeaa teknologiaa vailla suunnittelu- tai tuotantokokemusta. Myöskin sen lopullisen kestävyyden laskeminen tietokonemallien avulla osoittautui vaikeaksi.

Tällainen oli tilanne, josta belgialainen komposiittimateriaaliyritys Acrosoma löysi itsensä muutamia vuosia sitten. Ongelmana oli, että paneelien testaaminen fyysisesti ei ollut mahdollista ja tarvittiin tietokonesimulaatioita.

"Standardiohjelmia käytettäessä simuloinnit näyttivät paneeliemme olevan heikkoja", kertoo Acrosoman toimitusjohtaja Jan Verhaeghe. Yritys oli kuitenkin varma niiden kestävyydestä. "Meidän täytyi selvittää, miten lujia paneelit olisivat todellisuudessa ja myös asiakkaat täytyi saada vakuutettua."

Materiaali tekisi mahdolliseksi konttien ja rakenteiden massan laskemisen siten, että rekat voisivat kuljettaa 10 prosenttia enemmän rahtia. Suorituskyvyn lisäys pienentää liikenteessä olevien ajoneuvojen määrää, mikä puolestaan alentaa sekä kuluja että hiilidioksidipäästöjä säästäen samalla ympäristöä.

Ratkaisu löytyi Suomesta

ESAn teknologiasiirto-ohjelma tarttui Acrosoman esittämään avunpyyntöön ja ehdotti ratkaisuksi suomalaisen Componeering-yrityksen kehittämää ESAComp-ohjelmistoa, joka on standardiohjelmia erikoistuneempi.

"Acrosoman innovaatio liittyy erityisesti kerroslevyrakenteen ytimeen, jossa on vaahdon lisäksi kuituja", kertoo Componeeringin toimitusjohtaja Markku Palanterä. "Yhteistyö lähti liikkeelle siitä, että he tiesivät hyvin, miten valmistaa niitä, mutta eivät osanneet laskea rakenteiden ominaisuuksia."

Testeissä ESAComp osoittautui toimivaksi ja mahdollisti Acrosoman uudenlaisen materiaalin simuloinnin tarkasti. Tämän ansiosta materiaalin sovellukset voitiin viedä tuotantoon nopeasti.

Komposiitit sopivat erityissovelluksiin

"Komposiittien valmistaminen on lähtökohtaisesti kalliimpaa kuin perinteisten rakenteiden, mutta niillä voidaan säästää massassa paremman lujuuden ansiosta", yleistää Palanterä. "Myös muut tekniset ominaisuudet, kuten korroosionkesto, väsymiskestävyys ja monimutkaisten muotojen mahdollistuminen voivat olla perusteina komposiittien valitsemiselle."

Komposiitti muodostuu kuidusta, joka on tyypillisesti lasi- tai hiilikuitua, sekä matriisiaineesta, joka on useimmiten muovia. Siinä voidaan käyttää myös kevyistä materiaaleista tehtyä lujitekerroksia. Perinteisissä materiaaleissa, kuten teräksessä ominaisuudet ovat samat kaikkiin suuntiin, mutta komposiiteissa tilanne on toinen.

"Komposiiteilla on metallimateriaaleihin verrattuna paljon enemmän vaihtoehtoja, miten tehdä ja ohjelmistomme keskittyy juuri niihin", kertoo Palanterä. "Lopputuotteen ominaisuudet luodaan suunnitteluvaiheessa materiaalivalinnoilla ja kuitusuuntauksista päättämällä. Räätälöinti oman käytön mukaan tekee komposiittirakenteiden suunnittelun vaativaksi."

Räätälöinti tekee mahdolliseksi hallita tarkkaan miten luja komposiittipaneeli on tietyissä tilanteissa. Esimerkki tästä on rekassa kuormaa kantava paneeli. Se altistuu monenlaisille paineille, kuormituksille ja painoille.

Avaruuslaitteista tuulivoimaan

ESAComp sai nimensä mukaisesti alkunsa ESAn tarpeesta suunnitella ja analysoida komposiittimateriaaleja avaruusaluksissa ja kantoraketeissa. Komposiittimateriaalit auttavat säästämään avaruussovelluksille kriittisessä rakenteiden massassa. ESAComp-ohjelmiston kehitystyö pantiin alulle Suomessa Teknillisessä korkeakoulussa 90-luvulla ja julkaistiin ensi kertaa 1998.

"XMM-Newton-rötgenteleskoopin rakenteen suunnittelu oli yksi ESACompin ensimmäisiä suunnittelukohteita", kertoo Palanterä. Teleskoopin lähes 10 metriä pitkän komposiittirakenteisen teleskooppiputken valmisti suomalainen Patria. Teleskooppi laukaistiin avaruuteen vuonna 1999.

Vuonna 2000 Palanterä oli perustamassa ohjelmiston jatkokehitystä varten Componeering-yritystä. Vaikka ESACompin alkusovellukset olivatkin avaruustekniikassa, kehitettiin se alusta lähtien yleistyökaluksi komposiittiteollisuuteen ja -tutkimukseen. Jatkuvan kehitystyön kautta se on löytänyt käyttökohteita monenlaisten komposiittisovelluksien mallintamisessa.

"Meillä on yhä projekteja, joissa ESA on mukana", Palanterä kertoo. Sovellustemme kirjo on kuitenkin nykyään hyvin laaja ja esimerkiksi tuulivoima on tärkeä ja kasvava alue."

Kuljetusalalle uuden materiaalin kehittänyt Acrosoma toivoo tulevaisuudessa mukauttavansa keksintönsä valmistaakseen kaikenlaisia komposiittituotteita lentokoneiden rungoista aina tuulivoimaloiden siipiin. Siinä Componeeringin ohjelmistosimulaatiot ovat korvaamattomia.

"Kyseessä on hyvin tehokas kaupallinen työkalu", arvioi Verhaeghe. "Mutta enemmän ja enemmän siitä tulee perusta Acrosoman teknologiselle kehitykselle."