xperion Oy:
”Hiilikuiturakenteet lisääntyvät voimakkaasti teollisuudessa”
Viime vuosina hiilikuidun käyttö teollisuudessa on lisääntynyt huomattavasti. Vielä kymmenen vuotta sitten lento- ja avaruusteollisuus kulutti suurimman osan kaikesta hiilikuidusta, mutta nykyään teollisuussektori kuluttaa jo noin kaksikolmannesta markkinoiden hiilikuidusta, raportoi Oulussa toimiva xperion Oy. Yritys on erikoistunut komposiittitelojen sekä -rakenteiden valmistamiseen ja huoltoon. Samaan yritysryhmään kuuluva saksalainen Inometa valmistaa myös alumiini- ja komposiittiteloja paino- ja filmiteollisuuden käyttöön.
”Mainittu hiilikuitumäärä vastasi noin 23000 tonnia hiilikuitua viime vuonna ja kulutuksen arvioidaan kaksinkertaistuvan vuoteen 2015 mennessä. Teollisuuden komponenteissa tullaan enenevissä määrin hyödyntämään hiilikuitukomposiittien mukanaan tuomia etuja, joita ovat mm. keveys, korkea lujuus ja jäykkyys, hyvät vaimennusominaisuudet, alhainen lämpölaajeneminen sekä hyvä korroosion kestävyys,” kertoo Matti Pajala xperion Oy:stä.
Paperi- ja painokoneteollisuudessa hiilikuituisia teloja on käytetty jo 90-luvulta alkaen. Tyypillisiä sovelluskohteita ovat muun muassa johto- ja kireydenmittaustelat, ravistettavat rintatelat, levitys- ja ulosottotelat sekä kaavari- ja applikaatiopalkit. Muita teollisuuden sovelluskohteita ovat esimerkiksi käyttöakselit sekä muut pyörivät koneenosat sekä erilaiset paineastiat.
Hiilikuidun kulutus pääsektoreittain 2008-2015. Lähde: SGL Group market research.
Komposiitilla tarkoitetaan kahden tai useamman materiaalin yhdistelmää, jossa materiaalit toimivat kiinteässä vuorovaikutuksessa keskenään. Kuitulujitteiset komposiitit muodostuvat lujitekuiduista sekä polymeerimatriisista, joka liimaa lujitteina toimivat kuidut yhtenäiseksi rakenteeksi. Tällä tavoin saavutetaan rakenteeseen ominaisuuksia, jotka ovat paljon enemmän kuin näiden yksittäisten osiensa summa. Yleisimmät käytössä olevat kuitulujitteet ovat hiili- tai lasikuituja. Vastaavasti matriisimateriaaleina käytetään yleisimmin epoksi- tai vinyyliesterihartseja. Myös erilaisten kestomuovien ja biopohjaisten polymeerien käyttö matriisimateriaaleina on lisääntynyt.
Hiilikuitukomposiitti on noin 80% kevyempää kuin vastaava teräsrakenne ja noin 40% kevyempää kuin vastaava alumiinirakenne. Ei siis ole ihme, että lentokoneteollisuudessa uusimmat koneet ovatkin jo yli 50-prosenttisesti komposiittirakenteisia. Paitsi liikkuvan kaluston rakenteina, myös pyörivissä koneenosissa keveydestä on välittömästi hyötyä, koska hitausmomentti pyörimisakselin suhteen on suoraan verrannollinen massaan, joten tarvittavat kiihdytystehot ovat pienempiä tai vastaavasti kiihdytysajat ovat huomattavasti lyhyempiä. Jatkuvissa kiihdytys- ja jarrutus sekvensseissä sekä energian että ajan säästö on jo merkittävä.
Monipuolisia materiaaliominaisuuksia
”Yksi kuitulujitettujen komposiittimateriaalien merkittävimmistä eduista on ominaisuuksien monipuolinen säädeltävyys. Eräs hyvä esimerkki komposiittimateriaalien jäykkyysominaisuuksien säätelemisellä saavutettavasta rakenteesta on niin sanottu kaksivaippainen telarakenne, missä telarungot on liitetty keskeltä kiinteästi toisiinsa. Ulkovaippa voidaan tehdä huomattavasti joustavammaksi kuin sisävaippa, vaikka sen halkaisija onkin suurempi, mikä perinteisillä materiaaleilla olisi mahdotonta. Tällaista ratkaisua käytetään hyväksi esimerkiksi levitysteloissa,” sanoo Matti Pajala.
Tyypillisesti hiilikuitukomposiitin vaimennuskapasiteetti on n. 10-kertainen teräkseen verrattuna. Lisäämällä erityisiä vaimennuskerroksia, voidaan laminaatin vaimennuskykyä edelleen parantaa. Hyvät vaimennusominaisuudet ovat eduksi esimerkiksi kuljetuskaluston akselisovelluksissa, missä teräksisen kardaaniakselin korvaaminen hiilikuitukomposiitilla on pienentänyt värähtelyjä ja parantanut renkaiden kulumiskestävyyttä.
Vaimennusmittaus kolmesta geometrialtaan identtisestä sylinterimäisestä kappaleesta, ylimpänä teräs ( punainen), keskellä tyypillinen hiilikuitulaminaatti (keltainen) ja alimpana hiilikuitulaminaatti erityisellä vaimennuskerroksella (vihreä).
Alhainen lämpölaajenemiskerroin ja lämpölaajenemisen hallinta on merkittävä etu esimerkiksi olosuhteissa, joissa rakenteelta vaaditaan mittapysyvyyttä käyttöympäristön lämpötilojen muuttuessa. Hiilikuitukomposiitin tyypillinen lämpölaajenemiskerroin on 1/10 teräksestä ja se on säädettävissä tarvittaessa myös nollaksi, jolloin voidaan estää rakenteen muodonmuutokset epätasaisen lämpötilajakauman vuoksi.
Esimerkiksi paperikoneen huoltoseisokissa pysäytetty terästela voi helposti kokea tällaisen tilanteen lämpösäteilyn seurauksena, jolloin startissa tela aiheuttaa värähtelyongelmia ja ratakatkoja lähtiessään taipuneena pyörimään. Hiilikuitukomposiittisella telalla ei tällaista ongelmaa ilmene. Alhaista lämpölaajenemiskerrointa käytetään hyväksi myös erilaisissa paperikoneen poikki menevissä palkkirakenteissa, kuten aplikaatio- ja kaavaripalkeissa, jolloin erityisiä lämpötilaerojen kompensaatiolaitteita ei tarvita.
Erinomaisten materiaaliominaisuuksien ja monipuolisten valmistusmenetelmien kautta hiilikuitu löytää yhä useammin paikkansa teollisuuden komponenteissa, missä vaaditaan energiatehokasta, kevyttä ja lujaa rakennetta, toteaa Matti Pajala xperion Oy:stä.
