Konkreettista väsytystestausta tarvitaan edelleen

Tuotekehitys ja tekninen suunnittelu vaatii tietoa materiaalien ja rakenteiden lujuudesta ja kestävyydestä. Näiden lisäksi rakenteita optimoidaan materiaalin käytön ja tuotannon tarpeet huomioiden. Kaupalliset tarpeet asettavat myös teollisille tuotteille, ei siis vain kuluttajatuotteille, käytettävyyden ja ulkonäön osalta vaatimuksia.

Jamkissa monipuolinen CAMS-osaamiskeskus soveltavaan materiaalitutkimukseen

Jamkin sovelletun tutkimuksen keskus CAMSissa yhdistyy kone- ja materiaalitekniikan osaaminen. Tutkimus ja tuotekehitys keskittyy kolmeen alueeseen:

1. Lisäävä valmistus eli 3D-tulostus
Lisäävänä valmistuksen CAMS-ympäristössä on uusi metallien 3D-tulostusympäristö. Sillä pystytään tulostamaan erilaisia 3D-jauhepetiteknologiaa (Laser Powder Bed Fusion, LPBF) hyödyntäviä rakenteita.

CAMS-ympäristössä on mahdollista myös perinteinen PLA- ja ABS-pohjainen polymeeritulostus. 3D-litografiaa hyödyntämällä saadaan erinomainen tulostuslaatu ilman perinteisen tulostuksen kerroksellisuudesta johtuvaa pinnan karheutta.

2. Pintateknologian soveltava tutkimus
Rajakadun kampuksen alakerrassa on laitteet ohutkalvopinnoitusta varten. Metallin, niiden oksidien tai keraamien päälle tehtävät pinnoitukset ovat vain nanometrejä, eivätkä lisää materiaalin paksuutta. Laboratorion laitteilla pystytään toteuttamaan sekä PVD- (Physical Vapour Deposition) että ALD-menetelmillä (Atomic Layer Deposition) pinnoituksia.

Usein pintateknologia unohdetaan, vaikka se vaikuttaa kappaleiden mekaanisiin ominaisuuksiin, kuten karheus, kovuus ja kulumiskestävyys, ja kemiallisiin ominaisuuksiin, kuten likaantuminen ja hygienia.

3. Pintateknologian soveltava tutkimus
Gear Academyksi nimetty lujuustutkimuksen keskus testaa materiaaleja ja rakenteita konkreettisesti niillä voima- ja ympäristöparametreilla, jotka kohdentuvat rakenteeseen myös niiden lopullisessa käyttöympäristössä. Tätä varten on sekä dynaamisen että staattisen kuormituksen laitteistot.

Laskennallisessa mallissa yksinkertaistetaan todellisuutta

Nykyisin yhä enemmän mallinnetaan ja lasketaan asioita ohjelmistojen avulla. Kun kappaleita ja kokonaisuuksia suunnitellaan, niiden kestävyyttä voidaan arvioida teknisen laskennan avulla useimmiten tietokoneavusteista FEM-laskentaa hyödyntäen.

Finite Element Analysis tarkoittaa elementtimenetelmällä suoritettua laskentaa. Usein käytetään lyhennettä FEM . Numeerista, laskennallista ratkaisumenetelmää käytetään rakenteen muodon ja materiaalinkäytön optimoimiseen sekä rakenteen kestävyyden tarkasteluun.

Lujuuslaskentaan liittyy useita yksinkertaistuksia, minkä vuoksi sen antamia tuloksia tulee tulkita varauksella. Näitä yksinkertaistuksia ovat:

• Rakenteen muodonmuutokset ja siirtymät oletetaan pieniksi suhteessa rakenteen kokoon. Esimerkiksi levyrakenteilla levyn paksuutta pienemmät muodonmuutokset ja siirtymät ovat pieniä.
• Rakenteen kiertymät oletetaan pieniksi. Oletus on, että taipuman derivaatta on yhtä suuri kuin kiertymän kulma. 10 asteen kiertymä aiheuttaa 1% virheen, 30 asteen kiertymä aiheuttaa 10% virheen.
• Materiaali oletetaan käyttäytyvän lineaarisesti ja elastisesti. Jännitykset kasvavat lineaarisesti suhteessa muodonmuutoksiin.
• Reunaehtojen tulee olla riippumattomia kuormituksesta. (Vertex)

Dynaamista ja staattista testausta

Dynaamisessa väsymistestauksessa rakenteeseen kohdistetaan haluttu ajanfunktiona muuttuva kuormitus tyypillisesti kymmeniä tuhansia kuormituskertoja. Jamkin laboratorioissa keskitytään metallituotteiden kestävyyteen, mutta dynaamisesti testataan myös esimerkiksi huonekaluja. Miten nojatuoli kestää, kun sille istutaan tuhansia kertoja. Dynaamisen testauksen lopputulemana saadaan selville tuotteen elinikä testissä käytetyllä kuormituksella.

Staattisessa testauksessa voimaa kasvatetaan hitaasti ja samalla mitataan muodonmuutosta. Staattisella testillä saadaan selville missä vaiheessa testattavaan tuotteeseen syntyy esimerkiksi pysyviä muodonmuutoksia ja missä vaiheessa rakenne lopulta pettää.

Jamkin testilaitteistot

Dynaamista väsymistestausta tehdään kahdella eri käyttötarkoitukseen valitulla ja optimoidulla laitteistolla. Jälkimmäinen esitellyistä laitteistoista soveltuu myös staattiseen testaukseen.

Sincotec MOT 400 EVO

Pulsaattoriksi kutsuttu laitteisto on Jamkin uusin tulokas. Laitteiston tuottama taajuus on 30Hz…120Hz, jolloin vuorokaudessa saadaan aikaiseksi jopa viisi miljoonaa kuormituskertaa. Tällä säästetään testausaikaa. Testausnopeus mahdollistaa väsymisen ns. run-out testit, joihin on mennyt aiemmin jopa viikkoja. Laitteistolle on rakennettu oma rakennuksensa Rajakadun kampuksen taakse, jotta laitteen käydessä meluhaitat minimoituvat, eikä synny haittaa kampuksen muulle toiminnalle.

Sincotec MOT 400 EVO tekniset tiedot

• Testattavan kappaleen maksimimitat: 650 x 600 x 350 mm (korkeus x leveys x syvyys)
• testauskappaleen maksimipaino on 500 kg
• kuormitusvoimat ± 180 kN tai 0…360 kN
• kuormitustaajuus 30 Hz…120 Hz
• laitteistolla saadaan taajuudesta riippuen 1,3 – 5 miljoonaa kuormitussykliä vuorokaudessa (24 h)

Laitteistolla tehdään muun muassa hammaspyörien testausta Moventas Gears Oy:lle.

Kuormituskehä – KEHÄ

Kuormituskehä soveltuu suuremmille testikappaleille, kuin pulsaattori. Kuormituskehässä on kaksi erikseen servo-ohjattua hydraulisylinteriä, joita voidaan ajaa samanaikaisesti. Tällöin voidaan tuottaa testattavaan kappaleeseen samanaikaisesti esimerkiksi taivutus- ja vääntökuormitusta. Voimantuottotavasta johtuen, testaustaajuudet ovat luokkaa 1-2 Hz. Hydraulisylintereitä voidaan ajaa myös staattisesti voimaa hitaasti kasvattaen, jolloin saadaan selville testattavan kappaleen käyttäytyminen staattisen kuormituksen vaikuttaessa.

KEHÄ:n tekniset tiedot

• Kuormituskehässä on kaksi servo-ohjattua hydraulisylinteriä, joiden maksimi kuormitusvoimat ovat 600 / 250 kN.
• Testikappaletta voidaan kuormittaa molemmilla sylintereillä samanaikaisesti.
• Ohjausjärjestelmässä ovat voima- ja asema-takaisinkytkennät.
• Testaustila 1 m x 1,5 m x 1,8 m.
• Testikappaleen suurin paino 3 000 kg.

Olosuhdekaapilla todellinen toimintaympäristö

Kuormituskehä voidaan varustaa erityisellä olosuhdekaapilla. Näin testaus on mahdollista niissä lämpötiloissa, joissa rakenne käytännössä toimii. Väsytystestaus on mahdollista -40  . . . +180 asteen lämpötiloissa.

Lämpötilan lisäksi sama olosuhdekaapisto voidaan muuntaa korroosiotestausympäristöksi, jossa muun muassa suolasumutestaus (NSS) on mahdollinen.

Jamkin soveltavan materiaalitutkimuksen huippukeskus

Jamkin soveltavan materiaalitutkimuksen huippukeskuksessa (CAMS) yritys voi teettää rakenteiden ja materiaalien dynaamista tai staattista väsymistestausta. Laboratorioympäristössä ovat erilaisten kappaleiden väsymistestaukseen soveltuva pulsaattori sekä suurempien kappaleiden tutkimiseen soveltuva kuormituskehä. Laitteiden käyttöön on ammattitaitoinen henkilökunta, joka auttaa myös tulosten analysoinnissa.

Kirjoittaja: Päivi Korpivaara, projekti-insinööri, Jyväskylän ammattikorkeakoulu

Lähteet
FEA-laskennan teoriaa. Vertex.