Materiaalien suunnittelu atomitasolla

Jotta voimme kehittää yhteiskunnan huomenna vaatimia materiaaleja, meidän on ajateltava radikaalisti ja yhteistyössä. Maailman johtavan materiaaliosaamisensa ansiosta Sandvikilla on hyvät edellytykset auttaa luomaan huomisen maailmaa.

Sandvik on kehittänyt uusia materiaaleja yli 150 vuoden ajan. Nykyään se on yksi maailman johtavista uusien materiaalien kehittäjistä. Yhtiö tietää, että nykyisten trendien edellä pysyminen on tärkeää, jotta voidaan vastata asiakkaiden ja yhteiskunnan vaatimuksiin.

Sandvik Coromantin T&K-teknologia-alustojen johtaja Marco Zwinkels sanoo, että teollisuuden uusien materiaalien kysyntää ohjaavat pääasiassa ilmailu- ja autoteollisuus sekä pyrkimys kestävämpään tuotantoon.

Zwinkelsin mukaan tämä kysyntä asettaa Sandvikille samanlaisia haasteita uusien materiaalien kehittämisessä, joita käytetään teollisuustuotteissa ja teollisuudessa, kuin Sandvikin leikkuutyökalujen kehittämisessä.

"Kaikkien liikennemuotojen painonpudotussuuntaus johtaa kuitukomposiittimateriaalien ja kevyiden materiaalien, kuten titaanin, yhä laajempaan käyttöön", hän sanoo. "Näemme alumiinikomponenttien määrän kasvavan sähköistettyjen ajoneuvojen kehityksen myötä. Samaan aikaan ilmailu- ja avaruusteollisuuden turbiineissa käytetään nyt entistä kehittyneempiä kuumuutta kestäviä superseoksia. Näitä on usein hyvin hankala työstää, mikä asettaa korkeampia vaatimuksia työkaluillemme."

Toinen syy uusien materiaalien kehittämiseen koneistusratkaisujen alalla on useat ongelmat, jotka liittyvät kobolttiin, joka on yksi metallin ja kiviaineksen leikkuutyökalujen päämateriaalina käytettävän sementtikarbidin keskeisistä ainesosista.

Koboltista on tulossa yhä ongelmallisempaa, Zwinkels sanoo. "Koboltti on luokiteltu aiempaa vaarallisemmaksi, ja työperäisen altistumisen raja-arvoja on alennettu", hän selittää. "Lisäksi sitä louhitaan konfliktialueilla tai niiden läheisyydessä. Lisäksi sitä käytetään autojen akuissa, joten autojen sähköistymisen myötä koboltti saattaa käydä vähiin."

Yritetään ymmärtää tulevaisuuden tarpeita

Zwinkels sanoo, että Sandvikilla on sekä haaste- että mahdollisuuslähtöinen näkökulma uusien materiaalien kehittämiseen.

"Mahdollisuuksien näkökulmasta ajamme pitkän aikavälin tutkimusta talon sisällä, usein yhteistyössä institutionaalisten ja akateemisten kumppaneiden kanssa", hän sanoo. "Tutkimme ja seuraamme uusien materiaalien kehitystä akateemisessa maailmassa. Tarve-puoli tulee asiakkaiden pyynnöistä, markkinasuuntauksista ja teollisuuden kehityksestä. Olennainen panos tulee maailmanlaajuisesta myynti-, insinööri- ja asiantuntijaverkostostamme sekä business intelligence -toiminnosta. Pyrimme ymmärtämään tästä, millaista materiaalikehitystä tarvitaan tulevaisuudessa."

Olemme nyt atomitasolla materiaalien suunnittelussa, jolloin voimme luoda uusia koostumuksia olemassa olevista materiaaleista.

Sandvikin materiaalisuunnittelun ryhmäasiantuntija Susanne Norgren on myös sovelletun materiaalitieteen dosentti Uppsalan yliopistossa. Hänen mielestään jännittävin kehitys materiaalitieteessä tulee vallankumouksellisista uusista prosesseista.

"Additiivinen valmistus ja integroidun laskennallisen materiaalitekniikan jatkokehitys ovat menetelmiä, joissa materiaaleja optimoidaan digitaalisesti tiettyjen haluttujen ominaisuuksien saavuttamiseksi. Voimme myös kehittää ja suunnitella materiaaleja ja komponentteja uusilla ja nopeammilla tavoilla", hän sanoo. "SpaceX:lle 3D-tulostettu avaruusaluksen laskuteline on esimerkki, jossa tätä menetelmää käytetään edettäessä atomitasolta valmiiseen tuotteeseen."

Atomien liikuttaminen

Zwinkels on samaa mieltä: "Materiaalitieteestä on tullut hyvin kypsää", hän sanoo. "Materiaalien suunnittelussa ollaan nyt atomitasolla, jolloin voimme siirtää atomeja ja luoda uusia koostumuksia olemassa olevista materiaaleista. Laskennallisen mallintamisen avulla voimme nähdä, millaiset uudet koostumukset voisivat olla mahdollisia ja mitä niiden toteuttamiseen tarvittaisiin."

Norgren huomauttaa, että additiivisen valmistuksen toinen keskeinen etu on se, että sen avulla insinöörit voivat poistaa jätemateriaalit prosessista, jolloin materiaalit ovat kevyempiä ja siten kestävämpiä. "Uskon, että kaikki Sandvikin asiakkaat hyötyvät tästä", hän sanoo. "Ja Sandvik hyötyy myös sisäisesti tehokkuuden kannalta. Sandvik on hyvin varustautunut 3D-tulostuskoneiden ja osaamisen osalta."

Sandvik on johtava maailmanlaajuinen toimija sementtikarbidin kierrätyksessä.

Ehkä ainoa tapa, jolla kestävä maailma voidaan todella saavuttaa, on kuitenkin kierrättäminen. Myös tätä materiaalitutkijat tutkivat yhä enemmän uusien laskentaprosessien avulla.

"Koboltin ja monien muiden materiaalien lisääntyvän niukkuuden sekä hiilijalanjäljen pienentämisen tarpeen vuoksi meidän on siirryttävä käyttämään tuotteissamme 100-prosenttisesti kierrätettyjä raaka-aineita", Zwinkels sanoo.

"Sandvik on johtava maailmanlaajuinen toimija sementtikarbidin kierrätyksessä. Merkittävä osa myymistämme materiaaleista on peräisin kierrätetyistä työkaluista, jotka ostamme takaisin ja muutamme uudeksi materiaaliksi. Olemme toimineet näin menestyksekkäästi jo vuosia, ja tämän merkitys kasvaa entisestään."