Materiaalien kehitys on kivi-, pronssi- ja rautakaudelta lähtien vauhdittanut koko ihmiskunnan kehitystä. Alkaneella 2000-luvulla materiaalitekniikan rajoja venytetään esimerkiksi ilmailu- ja autoteollisuuden sovelluksissa.
Ihminen etsii luonnostaan aina uutta ja parempaa. Autoteollisuus on hyvä esimerkki tästä. Kun Ford pari vuotta sitten julkaisi tulevien ajoneuvojensa toivemateriaaleja, monet niistä liittyivät turvallisuuteen. Fordin tutkimus- ja suunnitteluosaston teknisen johtajan professori Pim van der Jagtin listalla oli esimerkiksi kolme kertaa nykyisiä lujempi teräs, rakenteita kolaritilanteissa vakauttava vaahtomuovi sekä nanotäyteaineita hyödyntävät komposiitit, jotka auttavat radikaalisti pienentämään painoa mutta samalla parantamaan lujuutta. (Lähde:http://articles.sae.org/12297/)
Ilmailuteollisuuden katse on myös tulevaisuudessa ja sitkeämmissä, kevyemmissä sekä kuumuutta paremmin kestävissä materiaaleissa, jotka pienentäisivät päästöjä ja polttoaineenkulutusta ja mahdollistaisivat suuremmat nopeudet. Toistaiseksi komposiitit ovat olleet ilmailuteollisuuden vakioratkaisu. ”Kolmekymmentä vuotta sitten viidestä kuuteen prosenttia lentokoneen painosta oli komposiitteja – nykyään esimerkiksi Dreamliner-matkustajakoneen rakenteista noin puolet on komposiitteja”, toteaa tohtori Eleanor Merson Sandvik Coromantilta.
Hiilikuitukomposiitit painavat vain viidenneksen teräksen painosta mutta ovat silti lujempia. Dreamlinerin painoa on pudotettu käyttämällä hiilikuitukomposiitteja siivissä, pyrstössä, ovissa, rungossa ja sisustuksessa. Lentokoneissa jokainen pudotettu kilo on arvokas. Asiantuntijat arvioivat, että jokainen matkustajakoneen painosta pudotettu kilo voi pienentää käyttökustannuksia noin 2 000–3 000 euroa vuodessa.
Lamborghinin komposiittihirmu
Komposiittien käyttö yleistyy jatkuvasti esimerkiksi autoissa ja tuulivoimaloiden siivissä. BMW:n i3-sähköautossa on käytetty runsaasti hiilikuitua. Valmistajan mukaan keveys auttaa saavuttamaan autolla jopa 160 kilometrin toimintamatkan yhdellä latauksella. Lamborghinin raivoisan näköisessä Veneno Roadsterissa on käytetty painoa pudottavia komposiitteja, jotka auttavat sinkoamaan auton paikaltaan 100 kilometrin tuntinopeuteen 2,9 sekunnissa. Komposiitit ovat halventuneet ja niiden valmistajia on enemmän kuin koskaan, mutta ensiluokkaisten komposiittien tuotanto vaatii edelleen korkeita lämpötila, äärimmäisen puhtaan tuotantoympäristön ja paljon työvoimaa. Myös komposiittien koneistus on usein erittäin haastavaa.
”Komposiittien koneistaminen, etenkin poraaminen, on todella vaativaa”, sanoo Sandvik Coromantilla komposiitteja tutkiva Merson. ”Lentokoneessa on kymmeniä tuhansia reikiä, ja komposiitti on erittäin abrasiivista. Hiilikuidut kuluttavat porat nopeasti loppuun.”
Tulevaisuudessa todennäköisesti valmistetaan entistä vahvempia komposiitteja käyttämällä lujitteena nanokuituja. Tutkijoiden odotetaan myös pystyvän kehittämään lähes täydellisiä atomitason ratkaisuja. Saksalaisen kemian alan yrityksen Altana AG:n asiantuntijoiden mukaan hiilinanoputkista voidaan valmistaa 400 kertaa terästä tai alumiinia ja 20 kertaa perinteisiä hiilikuituja vahvempia materiaaleja.
Grafeenia älypuhelimiin
Grafeenin ja kvasikiteiden kaltaisten, löytäjilleen Nobel-palkinnon tuoneiden materiaalien tulevaisuuden näkymät ovat vielä huimempia. Niiden lujuus voi täysin mullistaa teollisen suunnittelun. Niiden ei kuitenkaan odoteta tulevan laajamittaiseen teolliseen käyttöön vielä pitkiin aikoihin.
Viime vuonna kiinalainen matkapuhelinvalmistaja käytti tuotteissaan grafeenia sähköjohtavuuden parantamiseksi. Kvasikiteillä on parannettu paistinpannujen ja metallisten kirurgisten välineiden kestävyyttä. Vaikka grafeenin teollinen läpimurto ei vaikuta vielä ajankohtaiselta, sen tutkimukseen investoidaan rajusti. Grafeeni on 200 kertaa lujempaa kuin teräs, ja se on maailman ohuin materiaali (miljoona kertaa ihmishiusta ohuempi). Samaan aikaan tutkijat yrityksissä ja yliopistoissa panostavat nykyisten materiaalien ja valmistusmenetelmien parantamiseen.
Kevyet alumiiniseokset ovat jo korvanneet suurlujuusteräksen autojen törmäyssuojissa. Lentokoneiden moottoreissa erittäin kuumalujat, superkovat seokset voivat auttaa parantamaan hyötysuhdetta ja pienentämään polttoaineenkulutusta.
Terästä kovemmat pinnoitteet
Fysikaalinen (PVD) ja kemiallinen kaasufaasipinnoitus (CVD) ovat menetelmiä, joilla esineeseen saadaan erittäin ohut mutta kova ja kuumaluja pinnoite. Menetelmät yleistyivät 1980-luvulla, ja niitä käytetään teollisuudessa yhä edelleen, mm. koneenrakennuksessa, optisissa laitteissa ja elektroniikassa.
Sandvik Coromant käyttää menetelmiä teriensä pinnan kovettamiseen. Terien perusaine on pääasiassa volframikarbidista ja koboltista valmistettua kovametallia.
”Kun terään lisätään 2–10 mikrometrin PVD-pinnoite, sen kestoikä kasvaa satakertaiseksi”, Sandvik Coromantin materiaalifysiikan asiantuntija ja PVD-osaston johtaja Mats Ahlgren sanoo. ”Asiakkaat hyötyvät paitsi pidemmästä kestoiästä myös paremmasta tuottavuudesta, kun terää voidaan käyttää tuntuvasti suuremmilla nopeuksilla ja syötöillä.”
Osasto keskittyy parantamaan pinnoitteen kestävyyttä entisestään vastauksena koneistettavien materiaalien kehitykseen.
”Viime vuosina olemme saaneet pinnoitusprosessin entistä paremmin hallintaan”, Ahlgren kertoo. ”Nykymikroskoopeilla voidaan tarkastella rakennetta lähes atomitasolle, mikä auttaa uusien ratkaisujen arvioinnissa ennen niiden ottamista tuotantoon.”
Vuonna 2013 Sandvik Coromant patentoi CVD-pinnoitukseen liittyvän Inveio™-teknologian. Inveio-menetelmällä valmistetun pinnoitteen kiteet ovat samansuuntaiset, mikä tietää merkittävää parannusta kestävyyteen ja kovuuteen.
Yhä lujempien materiaalien ansiosta yksittäisistä komponenteista voidaan tehdä entistä kevyempiä. Suunnittelijat myös valitsevat materiaalit autojen ja lentokoneiden eri osiin entistä tarkemmin. Kaikkien osien ei tarvitse olla valtavan lujia. Tämä periaate toimi Airbusin entisen suunnittelujohtajan Ian Scoleyn ohjenuorana hänen suunnitellessaan lentokoneiden matkustamoja. Nykyään C&D Zodiacin teollisesta muotoilusta vastaava Scoley kertoo linnun luiden inspiroivan häntä. ”Ne ovat tarvittaessa lujia mutta kevyitä ja avoimia niissä kohdissa, joissa vaaditaan joustavuutta.”
Kierrätys keskipisteessä
Lentokoneiden ja autojen polttoaineenkulutus ja päästöt pienenevät uusien materiaalien ja muiden ratkaisujen ansiosta, ja nyt kierrätys on nousemassa yhä enemmän valokeilaan. Monissa komposiiteissa käytetään sideaineita, joita on vaikea erotella ja käyttää uudelleen, mutta autoteollisuuden uusimmat alumiiniseokset on kehitetty kierrätettävyys mielessä.
Kierrätys on itse asiassa noussut keskeiseksi tekijäksi autoteollisuudessa. Euroopassa 85 prosenttia auton massasta on oltava kierrätettävissä tai hyödynnettävissä uudelleen. ”Autonvalmistajat arvioivat auton jokaisen osan tuon vaatimuksen kannalta”, huomauttaa saksalainen autoalan asiantuntija Arjen Bongard.
Kierrätysvaatimus synnyttää mielikuvituksellisia ratkaisuja. Ford on ottanut matkustamossa käyttöön vehnänoljesta ja soijasta valmistettuja tuotteita, ja yhtiö tutkii kookospähkinän kuitukerrokseen, porkkanoihin ja maissiin pohjautuvia muovimateriaaleja. Yhtiön tavoitteena on, että matkustamon materiaalit ovat 100 prosenttisesti biohajoavia.
”Vaihtoehtoisten materiaalien löytäminen on tärkeää, samoin kuin kustannustehokkaiden kierrätysprosessien kehittäminen”, Sandvik Coromantin johtava T&K-asiantuntija Anna Hultin Stigenberg toteaa. Hän toimi vielä hiljan Euroopan innovaatio- ja teknologiainstituutin raaka-aineisiin keskittyneen osaamis- ja innovaatioyhteisön puheenjohtajana. Hanke tuo yhteen yli 100 yritystä ja tutkimuslaitosta tarkoituksenaan tukea kestävän kehityksen mukaisten materiaalien kehitystyötä.
Atomitasolla
Miksi tyytyä jo tarjolla oleviin materiaaleihin? Käsillä alkaa olla mahdollisuus kehittää tiettyjen vaatimusten mukaisia, aivan uusia materiaaleja.
”Nykyaikaiset mikroskoopit ja tietokonelaskenta tukevat uusien materiaalien suunnittelua, jossa onkin edistytty valtavasti”, toteaa Hultin Stigenberg.
Rautakauden päättymisen jälkeen yhtäkään ihmisen historian aikakautta ei ole nimetty materiaalin mukaan. Joidenkin tutkijoiden mukaan elämme parhaillaan muovikautta, mutta tulevaisuudessa aikakautemme voitaisiin nimetä uusien materiaalien kaudeksi, ja sen vaikutukset ihmiskunnan kehitykseen voivat olla suuremmat kuin nyt uskommekaan.
