Innovointia virtuaalimallinnuksen avulla – kesätyö, joka muutti käsitykseni materiaalisuunnittelusta

Blogit
Luis Vallejo Rodriguez

Numeeriset simulaatiot ovat melko uusi vaihtoehto materiaalisuunnitttelussa ja ne ratkaisevat fyysisiä ongelmia vähäisemmin ympäristövaikutuksin. VTT pyrkii alan huippuosaamiseen fysiikkaperusteisen materiaalimallinnuksen monitasoisen työnkulun kautta. Kideplastisuus on tämän suunnitteluketjun osa-alue, johon minulla oli mahdollisuus perehtyä ja jota sain olla mukana kehittämässä kesätyössäni VTT:llä.

Kesäharjoittelijana VTT:llä

Etukäteen ajattelin, että kesätyöntekijänä olisin vain esimieheni varjo ja että tehtäväni olisivat melko yksinkertaisia ja vaikuttavuudeltaan vähäisiä. Sain sen sijaan huomata, että hanke, jossa olen mukana, tarjoaa todellisia haasteita. VTT on yksi yhteistyökumppaneista EU-hankkeessa, jossa pyritään parantamaan energiaintensiivisten teollisuudenalojen tehokkuutta ja samalla vähentämään kasvihuonekaasupäästöjä käyttämällä laadukkaampia ja tuottavampia komponentteja. Tehtäviini kuuluu VTT:n kehittämän mikrorakenteisen CPFEM (Crystal Plasticity Finite Element Method) -mallin parametrisointi uudelle korkean entropian metalliseokselle, joka on 3D-tulostettu. Aluksi minun oli kuitenkin perehdyttävä kunnolla kideplastisuutta koskevaan kirjallisuuteen, jotta voisin soveltaa yliopistossa opittua tietoa asianmukaisesti CPFEM-malliin.

VTT:llä mielipidettäni pidetään merkityksellisenä, sitä kuunnellaan ja tarvittaessa ohjataan. Tämä kertoo luottamuksesta harjoittelijaan, mikä kannustaa häntä tekemään parhaansa. Kaikki muutkin harjoittelijat, joihin minulla on ollut mahdollisuus tutustua, ovat jakaneet saman ajatuksen. Olen voinut tavata heitä sekä henkilökohtaisesti että etänä, vaikka suurin osa tapaamisista on toteutunut valitettavasti etänä. Minulla ei kuitenkaan ole mitään valittamista, sillä nykyisestä koronavirustilanteesta huolimatta kotona työskentely on tehokasta ja työympäristö on terveellinen. 

Materiaalisuunnittelu ja virtuaalitestaus

Korkean entropian metalliseokset ovat vähän samanlaisia kuin monet kassakaapit, joilla kullakin on oma numeroyhdistelmänsä. Ja insinöörit ovat eräänlaisia lukkoseppiä, jotka aina oikean yhdistelmän valittuaan etenevät seuraavan sukupolven materiaaleihin. 

Uusien materiaalien ominaisuudet ovat erinomaiset, ja ne voivat korvata tähän asti ääriolosuhteissa käytetyt kaikkein kehittyneimmät materiaalit. Ennen kuin tällainen voittajayhdistelmä löydetään, resursseihin tehtävät investoinnit voivat olla huomattavia, jos ne perustuvat perinteisiin yksinkertaisiin mutta karkeisiin suunnittelumenetelmiin. Tässä kohtaa fysiikkaperusteinen monitasoinen materiaalimallinnus ja koneoppiminen tulevat mukaan kuvaan.

vttmateriaalisuunnittelu
Suorituskykylähtöinen materiaalisuunnittelu (ja -tutkimus), jossa hyödynnetään koneoppimista ja tekoälyteknologioita.

CPFEM-malli antaa paremman käsityksen materiaalien valmistukseen perustuvasta suorituskyvystä ja ominaisuuksista, niiden mikrorakenteesta sekä olemassaolevista vaurioittavista ja vahvistavista mekanismeista. VTT tarjoaa edellä mainittuun työnkulkuun perustuvan ratkaisun, jossa käytetään valmistusmenetelmänä 3D-mallinnusta, koska se antaa suunnitteluvapauden ja edellyttää vain vähäistä raaka-aineiden käyttöä. 

Virtuaalinen testaus vähentää tarvittavien fyysisten testien määrää, kehitys- ja varmennusriskejä, prototyypin kehittämiskustannuksia ja markkinoille viemisen aikaa. Se myös parantaa ja vahvistaa komponenttien suunnittelua altistamalla ne fyysisissä kokeissa vaikeasti toistettavissa oleville olosuhteille. VTT on näyttänyt, miten virtuaalitestaukseen perustuva hyvä materiaalisuunnittelu voi auttaa luomaan parempaa ja kestävämpää maailmaa. Tämä edellyttää tiimityötä ja jatkuvaa halukkuutta tarttua haasteisiin.

Kirjoittaja on toisen vuoden materiaalitieteen ja tekniikan maisteriopiskelija Madridin teknillisessä korkeakoulussa ja Tampereen yliopistossa. Hän työskentelee kesän 2021 aikana VTT:llä ACHIEF-materiaalisuunnitteluprojektissa.
 

Jaa