Virtuaalinen materiaalikehitys – uusi kilpailukyvyn lähde

Artikkelit
Anssi Laukkanen,
Tomi Suhonen
VTT Sip of Science

Virtuaalinen materiaalikehitys voi puolittaa materiaalien kehityssyklin ja saada aikaan todellisen tuottavuusloikan. VTT Sip of Science -keskustelutuokiossa tutkimusalueen johtaja Tarja Laitinen, tutkimusprofessori Anssi Laukkanen ja erikoistutkija Tomi Suhonen VTT:ltä sekä toimitusjohtaja Pasi Julkunen MexLink Oy:ltä keskustelivat näistä mahdollisuuksista. Hyppää videoon.

Materiaalikehitys on pitkään perustunut vahvaan kokeelliseen työhön ja sen kerryttämään ymmärrykseen syy-seuraussuhteista. Nyt rinnalle on nousemassa virtuaalinen materiaalikehitys, jossa pitkät koesarjat vaihtuvat algoritmeihin ja laskennallisiin malleihin. Tämä mahdollistaa materiaalien hienorakenteen ja makrotason ominaisuuksien entistä nopeamman räätälöimisen käyttötarkoituksen mukaan.

Mallintamalla kaksinkertainen kestävyys

VTT ProperTune® on tietokoneavusteisen materiaalikehityksen konsepti. VTT kehitti sen avulla maailman suurimmalle teräksen valmistajalle ArcelorMittalille uusia materiaaleja pellonkyntöauraan, joka altistuu jatkuvalle naarmutukselle ja kivien iskuille. Kuluttavaan käyttöön haluttiin saada kestävä materiaali muuttamatta kuitenkaan teräksen koostumusta tai ylittämättä määrättyjä raja-arvoja.

Projektissa karakterisoitiin parhaat teräskandidaatit ja mallinnettiin niiden kulutuskestävyyttä. Tuloksia verrattiin kokeellisiin havaintoihin ja mallin todettiin kuvaavan materiaalin käyttäytymistä tarkasti. Materiaalin systemaattinen modifiointi ja optimointi paransivat kuormankantokykyä. Uusien materiaalien kulutuskestävyys osoittautui käytännön kokeissa sekä simulaatiokokeissa yli kaksinkertaiseksi aikaisempaan verrattuna.

Kestävää kehitystä ja kilpailukykyä

Kestävä kehitys on yksi teollisuuden uusista ajureista, ja asettaa vaatimuksia myös materiaalikehitykselle. Materiaalien kestoikä vaikuttaa suoraan hiilidioksidipäästöihin, eikä sitä voida perinteisillä menetelmillä enää kaksinkertaistaa. Kun kokeellinen ja virtuaalinen kehittäminen yhdistetään, ratkaisuja voidaan kehittää entistä nopeammin ja edullisemmin. Hyödyt realisoituvat teollisuudessa suoraan.

Kiertotalous merkitsee sekä haastetta että mahdollisuutta teollisuudelle. Esimerkiksi metallien kierrätysmahdollisuudet ovat huikeat, mutta samalla globaalissa liiketoiminnassa kiertotalous on monimutkainen kokonaisuus – lopputuotteeseen pitäisi pystyä vaikuttamaan paikallisesti. Suomen on vientivetoisena maana pohdittava sitä, kuinka kiertotaloutta tukevia konsepteja lanseerataan eri maihin.  

Yritysten panostettava materiaaliosaamiseen

Teollisuudessa materiaalit aiheuttavat usein ongelmia, sillä niitä ei optimoida käyttötarkoituksen mukaan. Materiaali valitaan standardista, eikä sitä lähdetä haastamaan. Huomiota saatetaan kiinnittää lujuuteen tai kovuuteen, mutta nämä eivät vielä määrittele materiaalin mikrorakennetta.

Valmistus itsessään kuormittaa materiaalia ja vaikuttaa sen mikrorakenteeseen. Vaikka materiaalille asetetut tavoitteet saavutettaisiin, pinnan alla ominaisuus voi olla erilainen. Ihanteellista olisi, jos mikrorakennetavoitteet voitaisiin määrittää jo piirustuksiin.

Mikrorakenteisiin sukeltaminen edellyttää teollisuudelta investointeja materiaaliosaamiseen. Tutkimus on tässä yritysten tukena. VTT:n projekteista noin kolmannes tehdään suoraan toimeksiantoina, jolloin projektit voidaan pystyttää ja toteuttaa nopeasti. 

Suomesta suunnannäyttäjä?

Virtuaaliseen materiaalikehitykseen panostetaan nyt kaikissa teollisissa maissa. Esimerkiksi USA:lla, Kiinalla ja Japanilla on tähän liittyen suuret kansalliset ohjelmat. Eurooppa katselee kehitystä vielä hieman sivusta eikä ole linjannut tahtotilaansa yhtä vahvasti.

Suomi on kansallisesti mielenkiintoisessa tilanteessa. Esimerkiksi ProperTune® on konseptina ainutlaatuinen maailmassa. Virtuaalinen materiaalinkehitys avaa teollisuudellemme huikeita mahdollisuuksia. Jos onnistumme tässä, markkinat ovat kyllä olemassa. 

Käynnissä kolme murrosta

Materiaalikehityksessä on samaan aikaan meneillään kolme erilaista murrosta. 

  1. Ensimmäinen koskee virtuaalisen kehittämisen tuomista kokeellisen työn rinnalle samaan työkalupakkiin.
  2. Toinen murros koskee tekoälyä, jonka hyödyntäminen mahdollistaa materiaalien optimoinnin ilman merkittäviä lisäkustannuksia.
  3. Kolmas murros liittyy siihen, kuinka tätä kehitystä kiihdytetään uuteen tahtiin. Tulevaisuudessa materiaalikehitys voi perustua jopa reaaliaikaiseen tutkimukseen, jossa karakterisointia, synteesiä ja valmistusta voidaan robotisoida. Tämä mahdollistaisi entistä kilpailukykyisemmän materiaalikehityksen.

Murrosten keskellä on muistettava, että Suomen teollinen rakenne koostuu pk-yrityksistä. Samalla kun ymmärrys uusista mahdollisuuksista lisääntyy, on kehitettävä yksinkertaisia tapoja, joilla virtuaalinen materiaalinkehitys saadaan myös pk-yritysten käyttöön. 

Kuuntele keskustelutuokio kokonaisuudessaan

Jaa