Nollapäästövalmistukseen tähtäävä IONMAN-tutkimushanke on saanut 170 000 euron rahoituksen Business Finlandilta. Hankkeessa selvitetään, voisiko koneistukseen perustuvan teollisen valmistuksen ympäristöjalanjälkeä pienentää uudella voitelumenetelmällä. Projekti on osa Valmetin koordinoimaa Veturi-hanketta.
Koneistus eli lastuava työstö kuuluu teollisuuden tärkeimpiin valmistusmenetelmiin. Lastuavassa työstössä materiaalia poistetaan, eli kappaletta esimerkiksi sorvataan, jyrsitään tai porataan, jotta sille saadaan haluttu muoto, dimensiot ja pinnanlaatu.
Lähes kaikki valmistusprosessit vaativat lastuavaa työstöä sen tarkkuuden ja laaduntuottokyvyn takia, ja on arvioitu, että 70 % valmistuksen lisäarvosta syntyy koneistusprosesseissa. Menetelmän yhtenä haittapuolena on prosessissa syntyvä materiaalihävikki. Investoinnit lastuavan työstön tutkimukseen tuottavat merkittävää taloudellista kilpailuetua ja pienentävät valmistuksen ympäristöjalanjälkeä.
Lastuavan työstön tutkimuksessa on todettu joitain peruslainalaisuuksia, kuten esimerkiksi teränkulumisen yhteys lastuamisnopeuteen, tai syötön käänteinen verrannollisuus pinnakarheuteen. Syvällinen ymmärrys lastuamismekaniikasta kuitenkin edelleen puuttuu, varsinkin muodostuvan pinnan ominaisuuksien osalta.
– Lastuavassa työstössä syntyy erittäin korkeita lämpötiloja ja pintapaineita, jotka ylittävät materiaalien myötörajan. Lisäksi terän ja lastun välisellä kontaktipinnalla tapahtuu kitkaan ja kulumiseen liittyviä ilmiöitä, joita ei nykyteorian valossa osata selittää, kertoo konetekniikan apulaisprofessori Sampsa Laakso. Perinteisesti lastuavan työstön tutkimuksessa työstön tehokkuutta on tarkasteltu tapauskohtaisesti, ja optimaaliset työstöarvot ja työkalumateriaalit on selvitetty kokeellisesti.
Nollapäästövalmistus mahdolliseksi ionisoituun ilmaan perustuvalla voitelulla?
Business Finland on myöntänyt 170 000 euron rahoituksen Turun yliopiston koordinoimalle hankkeelle Ionized Air Lubrication for Zero-Emission Manufacturing (IONMAN). Hanke on osa Valmetin johtamaa Beyond Circularity -tutkimus- ja kehitysohjelmaa, jossa innovoidaan uusia ratkaisuja teollisuuden vihreän siirtymän ja hiilineutraaliustavoitteiden edistämiseksi. Business Finlandin lisäksi tutkimushanketta rahoittavat mukana olevat yritykset ja Turun yliopisto.
Projektissa tarkastellaan kolmea voitelu- ja jäähdytystapausta: öljyä ja vettä sisältävällä emulsiolla voideltua koneistusta, Aurion Machining Technologies Oy:n kehittämää ionisoitua ilmaa hyödyntävää voiteluteknologiaa sekä kuivana koneistamista.
Lastuamisnesteet sisältävät öljyn ja veden lisäksi emulgaattoria, eli ainetta joka mahdollistaa öljyn ja veden sekoittumisen. Emulgaattorin ollessa orgaaninen yhdiste, tarvitaan myös antibakteerisia kemikaaleja seokseen. Näiden lisäksi emulsiot sisältävät korroosionestoaineita.
– Lastuamisnesteet ovat sellaisia kemikaalikoktaileja, joista jokainen ympäristöasioista ja työhyvinvoinnista huolissaan oleva yritys haluaa päästä eroon. Tähän asti ei ole ollut vaihtoehtoja, mutta nyt tutkittava ionisoitu ilma vaikuttaa lupaavalta, sanoo Laakso.
Projektissa tutkitaan, miten lastuamisparametrit ja eri voitelumentelmät vaikuttavat koneistusprosessien ympäristöpäästöihin, kustannuksiin sekä kappaleen pinnanlaatuun, kuten sen karheuteen, kovuuteen ja jännityksiin. Tavoitteena on kehittää toimiva mallintamismenetelmä, jota voidaan hyödyntää tuotannon optimoinnissa ja tuotteiden laadun parantamisessa. Tätä varten lastuavan työstön teoreettista ymmärrystä on syvennettävä niin, että siinä tapahtuvat ilmiöt voidaan selittää fysiikan avulla, jolloin kokeellisen tutkimuksen tarve vähenee ja valmistusprosesseja voidaan suunnitella hankkeessa saadun tiedon perusteella.
Turun yliopiston konetekniikan erityisosaamisalueisiin kuuluu materiaalifysiikan hyödyntäminen valmistusprosessien mallintamiseksi. Tutkimusmenetelminä käytetään työstökokeita, elektronimikroskopiaa, 3D-topografiamittauksia, elementtimallintamista, LCA-analyysejä, kustannuslaskentaa sekä materiaalikarakterisointitekniikoita kuten jäännösjännitysten mittausta, kovuuden mittausta ja mikrorakenteen määrittämistä.
Projektin yhteistyökumppanit kuuluvat Suomen konepajatekniikan keihäänkärkiyrityksiin; Valmet Flow Control Oy, Oras Oy, Wärtsilä Oyj, Ovako Imatra Oy Ab sekä Aurion Machining Technologies Oy. Yritysten tavoitteet projektissa tähtäävät erityisesti kestävän valmistamisen mahdollistavien teknologioiden hyödyntämiseen, lastuamisnesteistä luopumiseen sekä tuotannon laadun parantamiseen.
