Itä-Suomen yliopiston tutkijat rakentavat toiminnallisia metallipintoja hyödyntämällä ruiskuvalua ja tilanvaraajatekniikkaa. Näin metalliin saadaan aikaan huokosia, joihin voidaan viedä haluttua kemiaa.

Metalliruiskuvalu (metal injection molding, MIM) yhdistää muoviruiskuvalutekniikan ja jauhemetallurgian. Yhdessä tilanvaraajatekniikan kanssa MIM tarjoaa mahdollisuuden tehdä kappaleeseen valun aikana huokosia, joita käytetään toiminnallisuutta tuottavan kemian varastointiin.

Itäsuomalaistutkijat ovat kehittäneet ja hyödyntäneet tekniikkaa kahdessa hankeessa yhteistyössä teollisuuden ja Karelia-ammattikorkeakoulun kanssa.

”Tuotimme aiheesta neljässä vuodessa kokonaisuudessaan kymmenen julkaisua, seitsemän pro gradu -työtä ja kaksi väitöskirjaa”, kertoo yliopiston materiaalikemian professori Mika Suvanto tiedotteessa.

Nopea massavalmistus ei edellytä jälkikäsittelyä

Yksi aihetta tutkineista on vuoden 2022 lopulla väitellyt Matti Kultamaa, joka paneutui huokoisiin metalleihin jo gradussaan.

”Käytännössä metalliin tehdään enintään satojen mikrometrien eli alle millimetrin kokoisia koloja, jotka täytetään halutulla aineella”, Kultamaa kuvailee MIM-tekniikan ja tilanvaraajan yhdistämistä.

Jauhemaisesta metallista voidaan näin muovata tiiviitä, vahvoja metallikappaleita, esimerkiksi laakereita.

Kun ruiskuvalu on tehty, jälkikäsittelyjä ei tarvita.

”Kyseessä on siis kätevä, nopea, tehokas ja edullinen massatekniikka, josta ei jää hukkaan menevää materiaalia.”

Estää sairaalabakteerin leviämisen

Huokoisuudeltaan ja huokoskooltaan kontrolloitujen teräskomponenttien valmistamisen mahdollistavaa menetelmää kutsutaan nimellä PSH (powder space holder).

Tilanvaraajat ovat pulverimaisia partikkeleita, esimerkiksi polymeerisia, epäorgaanisia aineita.

”Olennaista on, ettei aine hajoa valun aikana”, Kultamaa sanoo.

Metallin on sisällettävä sidosainetta, joka tekee siitä juoksevampaa ja pitää kappaleen koossa loppuun asti. Sidosseoksessa voi olla esimerkiksi vesiliukoista polymeeria, kuten polyetyleeniglykolia (PEG).

Huokoset voidaan täyttää monenlaisilla aineilla. Kultamaa vei väitöstutkimuksessaan ruostumattoman teräksen sisään hopeaa, kuparia ja sinkkiä, joilla on antibakteerisia ominaisuuksia. Metallit estivät tehokkaasti Staphylococcus aureus -sairaalabakteerin kasvun teräsrakenteiden pinnalla.,

Parantaa metallin kitka- ja kulumisominaisuuksia

Kultamaa selvitti väitöstyössään antibakteeristen aineiden, korroosionkeston ja voiteluaineiden mahdollisuuksia.

Tekniikalla voidaan parantaa myös metallikappaleiden kitka- ja kulumisominaisuuksia viemällä huokosiin voiteluaineita, jollaisena Kultamaa käytti parafiinia.

Voiteluaineella täytetyt huokoset vähentävät hankaavaa kontaktia, ja kun aine on valmiina kappaleessa, sitä ei tarvitse lisätä. Menetelmä olisi mahdollista ottaa käyttöön nopeastikin.

Korroosionkeston parantamiseksi Kultamaa varastoi metallikappaleen huokosiin sinkkiä.

”Sinkkiä voidaan käyttää uhrianodina, koska se ruostuu nopeammin. Sitä ei tarvinnut edes viedä kappaleeseen kattavasti, vaan se toimi pieninäkin partikkeleina”, Kultamaa kertoo.

”Yhdellä prosessilla saadaan valettua kappale muotoon ja rakennettua siihen halutut ominaisuudet. Huoltovälit ja kappaleen elinkaari pitenevät, sekä energian käyttö vähenee. Kestävyysajattelu on tässä jo itsessään valmiiksi mukana.”

(Kuva Eeli Gröhn) Teräsrakenteiden käyttökohteita voitaisiin uuden valmistusmenetelmän ansiosta laajentaa esimerkiksi erittäin vaativiin arktisiin olosuhteisiin, sanovat professori Mika Suvanto ja tutkija Matti Kultamaa.

Tilaa Kemiamedian uutiskirje!

Tilaajana saat sähköpostiisi kerran viikossa kiinnostavimmat uutiset ja tärkeimmät tiedot alan tapahtumista ja työpaikoista.

Arvomme uusien uutiskirjetilaajien kesken palkintoja.

Lue lisää ja tee tilaus täällä.

P.S. Oletko kemian seurojen jäsen? Jos haluat uutiskirjeemme myös vuonna 2023, käy uusimassa tilauksesi täällä.