Urheiluvälineteollisuus valmistaa tuotteita kilpailu‑ ja harrastekäyttöön sekä vapaa‑aikaan. Kohderyhmä vaikuttaa merkittävästi tuotteen valmistusmenetelmään, materiaaleihin ja sarjakokoon. Urheiluvälineteollisuudelle on tyypillistä ennakkoluulottomuus ja uusien ideoiden, menetelmien ja raaka‑aineiden nopea omaksuminen ja käyttöön otto. Tämä johtuu aktiivisesta tuotekehityksestä, jota urheiluvälinemarkkinat edellyttävät. Jokaiselle myyntikaudelle olisi saatava jotain uutta, erilaista ja parempaa. Useissa tapauksissa yritykset joutuvat myös itse kehittämään menetelmät ja rakentamaan koneet ja laitteet tuotteittensa valmistamiseksi. Komposiitit tarjoavat valmistajille mahdollisuuden tuotteiden differentiointiin sekä hintojen että ominaisuuksien suhteen. Tyypillisesti edulliset harrastekäyttöön tarkoitetut tuotteet valmistetaan edullista raaka-aineista kuten lasikuitulujitetusta polyesteristä ja toisaalta kalliit kilpaurheilijoille tarkoitetut tuotteet hiilikuitulujitetusta epoksista.

Muovikomposiittiosien lujittaminen suoritetaan pääasiallisesti jatkuvilla lasi‑ ja hiilikuiduilla. Myös muita lujitekuituja kuten aramidi‑, polyeteeni‑ ja boorikuituja sekä keraamisia kuituja käytetään jonkin verran. Eri lujitekuitujen ja lujitemuotojen yhdisteleminen on tavallista. Myös kudos‑ ja yhdensuuntaisprepregejä käytetään merkittävässä määrin. Pintahuopia käytetään sekä ulkonäöllisistä syistä että muiden teknisten vaatimusten saavuttamiseksi. Matriisimuoveina käytetään sekä kerta‑ että kestomuoveja. Kertamuoveista yleisimpiä ovat epoksit sekä vinyyli‑ ja polyesterit. Valmistusmenetelmiä ovat lähinnä kelaus ja pultruusio sekä näiden yhdistelmät, ahtopuristus, paineinjektio, ruiskuvalu ja käärintä.

Tyypillisiä osittain tai kokonaan komposiittisia talviurheiluvälineitä ovat sukset, suksisauvat, jääkiekkomailat, lumilaudat, kelkat ja luistimet. Jääkiekkomailoissa käytetään myös muovikomposiittilaminaatteja sekä kudoksia, jotka liimataan epoksimuovilla puuhun. Laminaatteja, nauhakudoksia ja prepregejä käytetään myös suksien ja lumilautojen valmistuksessa. Suksisauvoja valmistetaan lasi‑ ja hiilikuitulujitetusta kertamuovista yhdistetyllä pultruusio‑ ja kelausmenetelmällä. Sauvoja valmistetaan myös kelaamalla sekä prepregistä käärimällä.

Kesäurheiluvälineistä määrällisesti merkittävimpiä ovat tennismailat, joista suurin osa on nykyisin muovikomposiittirakenteisia. Näistä noin puolet on täysin tai lähes kokonaan hiilikuitulujitettuja. Valmistusmenetelmiä on useita, joista perinteisessä keernan päälle kääritään prepreg-teippiä tai punotaan kuituja. Myös valmiita pultruusioprofiileita voidaan käyttää paikoissa, joihin kohdistuu suuria rasituksia. Kun aihio on valmis, se asetetaan suljettuun muottiin. Mikäli aihio on valmistettu kuivista lujitteista, muottiin johdetaan matriisimuovi. Valmistuksessa käytetty keerna voi olla ilmalla täytetty silikoni‑ tai polyeteeniletku, joka paineistetaan kovetusjakson ajaksi. Kovetuksen jälkeen letku voidaan haluttaessa poistaa. Keerna voi olla myös uretaanisolumuovia tai poikkileikkaukseltaan suorakulmainen, lasikuitulujitetusta epoksista valmistettu pultruusioprofiili.

Golfmailojen varsia valmistetaan hiilikuitulujitetusta epoksimuovista kelaamalla, prepregeistä käärimällä sekä yhdistetyllä kelaus‑ ja pultruusiomenetelmällä. Samoja menetelmiä käytetään lasi‑ tai hiilikuitulujitettujen onkivapojen ja heitto‑onkien sekä hiilikuitulujitettujen maasto‑, kilpa‑ ja retkipolkupyörien runkoputkien valmistukseen. Pyörien onttoja runkoja valmistetaan myös muoteissa käyttäen vastaavaa tekniikkaa kuin tennismailojen valmistuksessa.

Muita tyypillisiä pultruusiomenetelmällä, kelauksella tai näiden yhdistelmällä valmistettavia muovikomposiittiosia ovat mm. nuolet, korkeus‑ ja seiväshyppyrimat, seipäät, melojen ja airojen varret, purjelatat, mastot, puomit, telttakepit, kolmijalat sekä leijakepit. Useiden urheiluvälineiden pienet komponentit kuten pyörien osat, kenkien pohjarakenteet, golfmailojen päät ym. on valmistettu ruiskuvalamalla lujitetuista muoveista.

Muista urheiluvälineistä, joita lujitemuovisina valmistetaan myös käsinlaminoimalla, mainittakoon purje‑ ja lainelaudat, kajakit ja kanootit, melojen lavat, moottorikelkkojen kuoret, vesijettien rungot, polkuveneet ja muut vastaavat välineet, vesiliukumäet, vesisukset sekä jää‑ ja maapurjekelkat. Joissakin urheilulajeissa joudutaan käyttämään joko lujittamattomista tai kuitulujitetuista kestomuoveista valmistettuja kypäriä tai vartalon ja raajojen suojia. Pesäpallo‑ ja softball-mailat sekä satulan jalustimet ovat myös tuotteita, joita valmistetaan kuitulujitetusta muovista.

Kirjallisuutta

1.          John Murphy, Reinforced Plastics Handbook, Elsevier Advanced Technology, Oxford, England, 1998.

2.          SAMPE Journal vuosikerrat.

3.          Modern Plastics vuosikerrat.

4.          Aerospace Composites & Materials vuosikerrat.

5.          SPI:n (Society of the Plastics Industry) konferenssijulkaisut.

Puolustusvälineteollisuus on traditionaalisesti ollut ensimmäisiä uusien materiaalien käyttäjiä mukaan luettuna muovit ja niissä käytetyt lujitteet sekä apu- ja täyteaineet. Materiaalien kehitykseen tämä teollisuudenala on myös vaikuttanut merkittävästi. Kuitulujitettuja muovituotteita käytettiin jo toisessa maailmansodassa mm. pommikoneissa ja raketeissa. Käytännössä nykyisin myös osaa raaka-aineista pidetään valmistuksessa ainoastaan puolustusvälineteollisuuden vaatimuksesta. Muun teollisuuden tarpeet ovat niin pienet, että ne eivät kykene ylläpitämään teollisesti kannattavaa raaka-aineiden valmistusta ja niihin kohdistuvaa kehitystyötä.

Periaatteessa puolustusvälineteollisuuden tarpeet kuitulujitettujen muovien suhteen ovat kahdenlaiset. Teollisuus tarvitsee kuormituksia kantavia, kevyitä rakenteita, joilta usein edellytetään myös käyttökohteesta riippuen tiettyjä fysikaalisia ja kemiallisia ominaisuuksia. Näissä käytetään raaka-aineina tyypillisesti suuren ominaislujuuden ja –kimmomodulin omaavia lujitteita. Toisen ryhmän muodostavat raaka-aineet, joita käyttäen voidaan valmistaa henkilöä, laitteita tai kalustoa luodeilta, sirpaleilta ja räjähteiltä suojaavia tuotteita. Vaikka näissäkin keveys on merkittävä vaatimus, tuotteiden toimivuus edellyttää tietynlaista rakenteellisen lujuuden huonoutta, ts. niiden on delaminoiduttava iskuenergian vaikutuksesta.

11.8.1   Käyttökohteet

Merkittävä osa Puolustusvälineteollisuuden valmistamista suuren lujuuden ja alhaisen painon omaavista lujitemuovituotteista on tarkoitettu käytettäväksi ilma-aluksissa kuten pommi-, kuljetus- ja hävittäjäkoneissa sekä helikoptereissa ja laivaston aluksissa mukaan luettuna vesikuljetuskalusto ja sukellusveneet. Myös maakuljetusvälineistä sekä panssarivaunuista löytyy lujitemuovisovellutuksia, joilta edellytetään rakenteellista lujuutta.

Oman ryhmänsä muodostavat nopeasti koottavat pioneerisillat sekä henkilöiden että kaluston siirtämiseen vesistön yli. Näissä käytetään tyypillisesti suulakevedettyjä lujitemuoviprofiileja sekä kantavina palkkeina että sillan pintalevyinä. Silloille on asetettu käyttötarkoituksesta riippuen erilaisia spesifikaatioita, mm. eräiden vaatimusten mukaan sillan pituuden on oltava koottuna 40 m, kantokyvyn riittävä 80 t painavalle ajoneuvolle ja rakenteellisen lujuuden oltava sellainen, että silta kestää vähintään 10 000 60 t tai 80 t ajoneuvon ylitystä ennen vaurioiden esiintymistä. Nämä pioneerisillat ovat usein lujitemuovin ja alumiinin yhdistelmärakenteita.

Toisen ryhmän muodostavat kevyet ja raskaat aseet sekä asejärjestelmät ja näihin liittyen ammukset, raketit ja ohjukset. Esimerkiksi ohjuksien kärkikartiot valmistetaan hiilikuitu-fenolikomposiitista estämään ohjuksen liiallinen kuumeneminen ja rakenteen murtuminen. Tässä sovellutuksessa kärkikartio kuumuuden vaikutuksesta muuttuu hiili-hiiliyhdisteeksi. Eräs vanhimmista kelaamalla valmistetuista sotilassovellutuksista oli kertakäyttösingon muoviputki. Aseissa on lukuisa määrä lujitetusta muovista valmistettuja sekä pieniä että suuria osia, jotka suurelta osin valmistetaan ruiskuvalamalla tai muilla suljettujen muottien menetelmillä. Sarjakoot saattavat olla hyvinkin suuria. Tietyistä materiaaleista valmistettujen lujitemuovikomposiittien antimagneettisuutta ja huonoa näkyvyyttä tai tunnistusta tutkassa käytetään hyväksi useissa sotilaallisissa sovellutuksissa.

Laajalti tunnettuja ovat ns. ballistiset sovellutukset, joihin maailmanlaajuisesti käytetään erittäin merkittäviä määriä hinnaltaan kalliita lujitemuoviraaka-aineita. Sotilaskypäriä valmistetaan useita eri versioita erilaisin suojaominaisuuksin eri käyttöihin. Nämä suojaavat sirpaleilta ja osa myös luodeilta. Samalla tekniikalla valmistetaan kypäriä myös siviilipuolelle, esim. poliiseille, palomiehille, moottoriurheiluun ja työ- sekä vapaa-ajan käyttöön. Kahden jälkimmäisen ryhmän kypärissä sekä lujitteena että matriisimuovina käytetään kuitenkin halvempia raaka-aineita. Ballistisia puolikovia ja kovia levyjä käytetään antamaan suojaa sirpaleilta, luodeilta ja räjähteiltä kaiken tyyppisissä sotilasajoneuvoissa ja panssarivaunuissa. Näitä käytetään myös luotiliiveissä antamaan suojan kiväärikaliberisilta luodeilta. Myös erilaiset liikuteltavat kontit ja komentokeskukset sekä raideliikenteen vaunut voidaan suojata näillä ballistisilla levyillä. Varsinaisina kantavina rakenteina näitä ei voi käyttää sillä matriisimuovilisäys, joka parantaa rakenteellista lujuutta, heikentää vastaavasti suojaavia ominaisuuksia, jolloin laminaatin iskuenergian absorbointi heikkenee.

Kelaamalla ja suulakevetämällä valmistetaan sotilaskäyttöön useita erityyppisiä antenneja alkaen pienistä antenneista aina suurikokoisiin teleskooppiantenneihin. Pienet antennit voivat olla umpiaineisia, mutta suuremmat ovat aina putkia sekä vaadittavasta rakenteen keveydestä että käyttötavasta johtuen.

11.8.2   Materiaalit

Lujitteena puolustusvälineteollisuuden tuotteissa käytetään käytännöllisesti katsoen kaikkia tavanomaisia ja erikoisempia lujitekuituja. Lasi-, hiili-, aramidi- ja HP-polyteenikuidut ovat keskeiset lujitteet. Kahta viimeksi mainittua käytetään lähes yksinomaan erilaisissa ballistisissa sovellutuksissa.  

Matriisimuovit ovat tuotteesta riippuen joko kesto- tai kertamuoveja. Kertamuoveista käytössä ovat lähinnä poly- ja vinyyliesterit, epoksit ja fenolit. Luonnollisesti myös erikoismuoveille löytyy tältä teollisuudenalalta käyttökohteita. Ballistisissa sovellutuksissa käytetään joko fenolipohjaisia prepregejä tai fenoli-, polyesteri- ja polyeteeniliimakalvoja.

11.8.3   Valmistustekniikat

Valmistustekniikat ballistisissa sovellutuksissa ovat muottipuristus kypärissä ja levypuristus levymäisten tuotteiden valmistuksessa. Molemmissa käytetään lämpöä joko prepreg-matriisimuovin tai liimakalvojen sulatilaan saattamiseksi. Muiden tuotteiden valmistusmenetelmät vaihtelevat ruiskupuristuksesta suljettujen muottien menetelmiin ja käsinlaminointiin. Profiilit valmistetaan yleensä suulakevetämällä, samoin useat putkimaiset tuotteet kuten teleskooppiantennien osat. Myös kuitukelausta ja prepreg-käärintää käytetään putkimaisten tuotteiden valmistuksessa. Tiettyjä osia valmistetaan injektointimenetelmillä.

Energiateollisuuden kiinnostus lasikuiduilla lujitettujen muovikomposiittien käyttöön johtuu erityisesti näiden komposiittien erinomaisista eristeominaisuuksista, muista käyttäjien kannalta positiivisista sähköisistä ominaisuuksista ja hyvästä korroosiokestävyydestä. Myös painon ja kustannusten säästöt voivat olla merkittäviä. Lujitemuovikomposiitit sietävät hyvin vaihtelevia ympäristöolosuhteita, joille suuri osa energiateollisuuden käyttämiä rakennemateriaaleja joutuu.

Tuulivoimalaitoksissa kuitulujitettujen komposiittien käyttö perustuu niillä saavutettaviin hyviin mekaanisiin ominaisuuksiin, erityisesti komposiittien hyvään ominaislujuuteen ja –jäykkyyteen. Muilla rakennemateriaaleilla siipiä on erittäin vaikeaa valmistaa riittävän kevyiksi. Komposiittirakenteisenakin 30…32 m pitkän siiven paino on noin 5 t ja suurimpien 55…60 m pituisten siipien paino n. 20 t. Pitkissä, likimain yli 40 m:n siivissä lujitteena on ainakin osittain käytettävä hiilikuitua, koska lasikuitulujittamisella ei yksinään saavuteta riittävää jäykkyyttä ja väsymislujuutta.

11.7.1   Käyttökohteet

Komposiittien tyypillisiä energiateknisiä sovellutuksia ovat valaisinpylväät sekä usein ristikkorakenteiset voimansiirtopylväät. Näihin liittyen valmistetaan komposiittisia voimansiirtojohtojen ja harusten eristeitä, virtakytkimiä sekä varokealustoja ja –koteloita. Myös jakelumuuntajia, muuntajan sydämiä ja muuntajakoteloita valmistetaan lasikuitulujitetusta muovista, samoin erityyppisiä ja kokoisia kaapelikannattimia ja –hyllyjä, kaapelien koteloita ja liittimiä. Näiden ohella sähköteollisuudessa käytettävien työkalujen, tikapuiden ja muiden nostolaitteiden rakenteellisina ja eristävinä osina käytetään lasikuitulujitetusta muovista valmistettuja osia.

Mielenkiintoisia sovellutuskohteita ovat voimaloiden yhteydessä olevat jäähdytystornit/-laitokset, joissa käytetään lasikuitulujitetusta muovista valmistettuja profiileja. Keskimääräinen tarve jäähdytyslaitosta kohden on n. 100 000 m profiilia. Erityisesti vanhojen jäähdytystornien ajanmukaistamiseen tullaan ennusteiden mukaan tarvitsemaan näitä profiileja tulevien vuosien kuluessa n. 200 milj. euron arvosta Yhdysvalloissa ja Aasiassa. Euroopan tarpeen arvoksi on esitetty n. 5 milj. euroa.

Energiaa varastoivat, lujitemuovista valmistettavat vauhtipyörät on eräs keskeinen tutkimus- ja kehitysalue. Näiden valmistus edellyttää korkean ominaislujuuden omaavien lujitekuitujen käyttöä. Vauhtipyörien kehitys on keskittynyt tällä hetkellä ajoneuvoissa käytettäviin vauhtipyöriin. Tavoitteena on kuitenkin valmistaa myös suurikokoisia ja –tehoisia kiinteitä vauhtipyöriä varastoimaan energiaa kulutushuippujen varalle. Toinen kehityksen alla oleva merkittävä projekti on polttokenno. Näissä käytettävät kaksinapaiset (bipolar) levyt voivat tulevaisuudessa osoittautua potentiaaliseksi ja materiaalikulutukseltaan hyvin suureksi sovellutuskohteeksi lujitemuoveille.

Sähköenergian tuottoon sarjavalmistettujen tuulivoimaloiden siivet ovat alusta alkaen olleet lujitemuovisia. Ensimmäiset siivet olivat pituudeltaan vain 8 m. Tällaisilla siivillä varustettujen tuulivoimaloiden teho on noin 50 kW. Nykyisin standardivalmistuksessa on siipiä aina 40 m:n pituuteen asti. Voimaloiden suurimmat tehot ovat noin 2,5 MW. Ensimmäiset noin 60 metrin pituiset siivet ovat jo toiminnassa voimaloissa, joiden teho on 5 MW:n suuruusluokkaa.

11.7.2   Materiaalit

Energiateollisuudessa lasikuidut ovat ehdottomasti tärkein lujite. Hiilikuituja tarvitaan lähinnä tuulivoimaloiden siipien tapaisissa tuotteissa, joilta edellytetään keveyttä, jäykkyyttä ja hyvää väsymislujuutta.

Matriisimuoveina käytetään lähinnä poly- ja vinyyliestereitä, joita on täyteaineilla tai muuten modifioitu palonkestävimmiksi. Näiden ohella käytetään fenoleja lähinnä niiden hyvien palo-ominaisuuksien vuoksi.

Epoksien ja epoksia sisältävien prepregien ja yhdistelmätuotteiden käyttö on tullut ajankohtaiseksi tuulivoimaloiden lavoissa niiden koon kasvaessa.

Koteloiden, eristeiden ja vastaavien valmistukseen käytetään sähköteollisuuden tarpeisiin modifioituja SMC-, BMC- ja DMC-massoja. Myös lujitettuja kestomuoveja on käytössä.

11.7.3   Valmistustekniikat

Energiateollisuuden komposiittituotteita valmistetaan lähes kaikilla yleisimmillä valmistusmenetelmillä. Profiilit, putket ja tangot valmistetaan tyypillisesti suulakevedolla. Ruisku- ja muottipuristusta käytetään valmistettaessa tuotteita SMC-, BMC- ja DMC-massoista sekä lasikuitulujitetuista kestomuovigranulaateista. Tuulivoimaloiden siivet ja muut lujitemuoviosat voidaan valmistaa käsinlaminoimalla. Sarjatuotannossa on kuitenkin siirrytty injektointimenetelmien käyttöön sekä tuotannollisista syistä että tuotteille asetetuista tiukemmista mekaanisista ja fysikaalisista vaatimuksista johtuen.

Rakennusteollisuudessa komposiittien käytön pääasiallisia syitä ovat keveyden ohella säänkestävyys, kemiallinen kestävyys ja hyvät lämmöneristysominaisuudet. Joissakin tapauksissa myös muotoiluvapaus on huomattava etu muihin materiaaleihin verrattuna. Komposiitteja käytetään merkittävästi myös konventionaalisista materiaaleista valmistettujen rakenteiden korjaukseen.

11.6.1   Käyttökohteet

Komposiittien tyypillisiä sovelluksia rakennuksen julkisivuissa ovat ulkopaneelit ja ikkunoiden kehykset. Komposiitista valmistetaan myös ulko-ovia. Sisätiloissa komposiitteja käytetään erityisesti kosteissa tiloissa. Esimerkkejä kosteiden tilojen tuotteista ovat kylpy-, pesu- ja pukuhuonekalusteet ja -paneelit. Käyttökohteita rakennusten yhteydessä ovat mm. jäteastiat, loka- ja öljysäiliöt, uima-altaat, lipputangot ja lautasantennit. Lisäksi komposiiteista valmistetaan suurempia kokonaisuuksia kuten työmaaparakkeja, taukotupia, kenttätoimistoja ja kioskeja. Laminaateista ja puusta valmistetaan myös suuria kerroslevytyyppisiä hallirakenteiden kannatinpalkkeja.

Liikenteen infrastruktuuriin liittyviä sovelluksia on runsaasti. Lentoliikenteessä näkyvimpiä ovat lentokenttien valomastot. Maaliikenteen sovelluksia ovat mm. valaisinpylväät, erilaiset mastot ja sähkökaapelien kannatinrakenteet. Satama- ja laiturirakenteissa komposiitit ovat korvanneet ympäristöä huonommin kestäviä puu- ja teräsrakenteita.

Komposiitteja käytetään runsaasti myös silloissa. Kevyet kävelysillat voivat olla kokonaan komposiittisia. Raskaammissa silloissa komposiitteja käytetään mm. kantavissa palkeissa ja pintarakenteena. Komposiiteilla on korvattu myös riippusiltojen kannatinkaapeleita. Oma erikoisalueensa on vanhojen siltojen korjaus komposiiteilla.

Maanviljelyyn, viinivalmistukseen sekä kalanjalostukseen ja –kasvatukseen liittyviä sovelluksia ovat erilaiset altaat ja säiliöt sekä näiden tukirakenteet.

11.6.2   Materiaalit

Rakennusteollisuuden komposiittisovelluksissa lujitteena on valtaosin lasikuitu. Hiilikuituja käytetään erikoissovelluksissa, mm. riippusilloissa, puuytimisissä kerroslevypalkeissa sekä vanhojen rakennusten ja siltojen korjauksissa.

Matriisimuovina on tavallisesti polyesteri. Vinyyliestereitä käytetään, kun polyesterin kemiallinen kestävyys tai lämmönkestävyys ei ole riittävä. Palonkestäviä ja vähäisen savunmuodostuksen omaavia fenoleja käytetään, mikäli polyesterit eivät täytä sovelluksen palovaatimuksia. Esimerkkisovelluksia ovat kaapelikannattimet Englannin kanaalin tunnelissa ja metroasemien komposiittirakenteet.

Kerroslevyrakenteissa yleisimpiä ydinaineita ovat PUR- ja PS-solumuovit. Kantavissa siltarakenteissa ydinaineena käytetään myös lasikuitulujitettua kennoa.

11.6.3   Valmistustekniikat

Suuri osa rakennusteollisuuden tuotteista valmistetaan pultruusioprofiileista. Pultruusio soveltuu hyvin mm. kannatinpalkkien, ikkunakehyksien ja kaapelien kannatinrakenteiden valmistukseen. Pultruusion ja kelauksen yhdistelmällä valmistetaan onttoja profiileja, joista edelleen kootaan esimerkiksi mastorakenteita. Muotopaneeleja ja kosteiden tilojen tuotteita valmistetaan injektoimalla sekä ruisku- ja käsinlaminoimalla. Pienempiä muoto-osia ja esimerkiksi ovia valmistetaan myös SMC-massasta puristamalla. Lipputankoja ja vastaavia tuotteita valmistetaan myös keskipakovalulla.

Muovikomposiittien ja erityisesti tiettyjen kerta- ja kestomuovihartsien hyvä kemiallinen kestävyys ja säänkesto ovat mahdollistaneet komposiittien käytön korroosionkestävissä tuotteissa. Materiaalien osuus on tärkeä puunjalostus- ja prosessiteollisuudessa. Sellutehtaiden valkaisulaitoksissa, kemikaalien prosessoinnissa ja jätekemikaalien käsittelyssä komposiittimateriaaleista valmistetut komponentit ovat osoittautuneet vuosien kuluessa luotettaviksi vaihtoehdoiksi.

Prosessiteollisuudessa muovikomposiittiosia käytetään erityisesti paineen ja erilaisten syövyttävien aineiden rasittamissa tuotteissa kuten paine-, ilmastointi- ja viemäriputkissa, säiliöissä ja altaissa. Nämä valmistetaan yleensä kelaamalla käyttäen lujitteena lasikuituja ja matriisimuovina polyestereitä tai vinyyliestereitä. Rakenne koostuu yleensä ns. korroosiokerroksesta, joka puolestaan koostuu pintahuovasta ja katkokuitumattokerroksista. Tämän päälle laminoidaan varsinainen kuormat kantava tukikerros. Tarvittaessa voidaan käyttää myös muita lujitekuituja ja matriisimuoveja. Kevyiden ja ohutseinämäisten paineastioiden valmistus on mahdollista, kun lujitteena käytetään aramidi‑, hiili- tai polyeteenikuituja. Mikäli kertamuoveilla ei saavuteta riittävää kemiallista kestävyyttä, voidaan tuotteen pintakerros valmistaa kestomuovilevystä. Kestomuovilevy on usein varustettu taustakankaalla, jolla varmistetaan levyn tarttuminen kuormaa kantavaan kuitulujitettuun kertamuoviin. Tyypilliset kestomuovivaihtoehdot ovat PVC, PE, PVDF ja eri fluorimuovit. Kestomuoveilla pinnoittamista käytetään myös mm. elintarviketeollisuuden ja olutpanimoiden prosessilaitteistoissa.

Käsinlaminoinnilla tai injektiomenetelmällä valmistetaan lujitemuovisia huuvia sekä säiliöiden ja putkien osia. Kelaamalla valmistetaan putkia, savupiippuja ja savukaasupesureita. Prosessiteollisuudessa on käytössä myös muovikomposiiteista valmistettuja haihduttimia, prosessiastioita, pumppuja, erilaisia venttiileitä ja tiivisteitä sekä mitta‑ ja annostelulaitteita.

Kuitulujitettujen muovikomposiittien käyttö kone- ja laitetekniikassa on kehittynyt hitaammin verrattuna aloihin, joissa piilevänä on ollut suuri tarve saada kevyempiä, mekaanisilta ominaisuuksiltaan parempia ja kokonaiskustannuksellisesti edullisempia tuotteita, jotka mahdollistaisivat uusien tekniikkojen käyttöönoton. Lisäksi kone- ja laiteteollisuus on autoteollisuuden tavoin ollut hidas hyväksymään uusia materiaaleja niiden käyttöönoton edellyttävistä pitkistä ja hinnakkaista testauksista johtuen.

Tuotannon tehostaminen, mikä usein merkitsi koneiden ja laitteiden nopeuksien kasvattamista, asetti erityisesti nopeasti liikkuville osille vaatimuksia, joita aikaisemmin käytetyillä materiaaleilla ei voitu täyttää. Metalleista valmistettuina kyseiset osat olisivat tulleet liian painaviksi tai kooltaan liian suuriksi. Muita syitä kuitulujitettujen muoviosien käyttöön ovat materiaalilla saavutettava alhainen kitkakerroin ja itsevoitelevuus, hiljainen käyntiääni, korroosionkestävyys ja kyky joko eristää tai johtaa lämpöä ja sähköä. Mahdollisuus valmistaa kustannustehokkaasti muodoltaan monimutkaisia kappaleita on myös merkittävä syy komposiittien käyttöön. Lujitemuoviosat voidaan lisäksi oikealla materiaalivalinnalla ja suunnittelulla valmistaa ympäristöolosuhteiden muutoksille neutraaleiksi (mittapysyvyys).

Tapauksesta riippuen kuitulujitettujen osien valmistajat ilmoittavat saavuttavansa noin 20 % painonsäästön vastaavaan alumiinista valmistettuun osaan verrattuna ja jopa 50 % painonsäästön teräskappaleeseen verrattuna. Tällöin mekaaniset ja fysikaaliset ominaisuudet ovat vähintään yhtä hyvät, osin jopa merkittävästi paremmat.

11.4.1   Käyttökohteet

Ensimmäiset koneenrakennuksessa käytetyt lujitemuoviosat olivat kooltaan pieniä. Tyypillisiä sovelluksia olivat hammaspyörät, tuulettimet, siipipyörät, vivut, salvat, laakerit, tiivisteet, ketjut sekä kytkimien ja jarrujen osat.

Useiden teollisuuden koneiden ja laitteiden kuten myös toimistokoneiden ja -laitteiden kuori- ja suojarakenteet ovat kuitulujitetusta muovista valmistettuja. Kuoret voidaan valmistaa häiriösuojattuina (EMI-suojaus). Myös suhteellisen kevyille (500 kg) kuormille tarkoitettuja nostureita on valmistuksessa. Teollisuusrobottien käsivarret ovat jo kauan olleet tunnettuja sovellutuskohteita.

Myös pakkaus-, mittaus- ja annostelulaitteissa lujitemuovikomposiittien käyttö on kasvanut. Sähkölaitteiden osat ja erityisesti painetut ja syövytetyt piirilevyt ovat olleet ja ovat edelleenkin merkittävä sovellutuskohde. 

Nopeasti käyvistä koneista esimerkkinä mainittakoon erilaiset tekstiilikoneet kuten kutoma-, neule- ja kampakoneet, joiden nopeasti liikkuvat osat valmistetaan nykyisin lähinnä hiilikuitulujitetusta muovista. Ensimmäisiä sovellutuksia olivat kutomakoneiden lyöntikäpälät ja loimineulekoneiden neulaparrut. Näiden jälkeen alettiin valmistaa niisivarsien kehyksiä ja luhia sekä syöstävättömiin koneisiin kudelangan vireeseen vievää tankoa. Nämä teknisesti vaativat osat mahdollistivat koneiden nopeuden kasvattamisen ja ovat osoittautuneet käytössä lähes rikkoontumattomiksi. Koneiden valmistajat ovat ilmoittaneet hiilikuitulujitettujen osien mahdollistaneen n. 10 %:n nopeuden noston. Kaapelikelauskoneiden nopeasti pyörivät, kooltaan suuret osat ovat myös tyypillisiä sovellutuskohteita kuitulujitetulle muoville. Yleisesti käytössä ovat myös lujitemuovista valmistetut tuulettimen siivet eri käyttökohteisiin. Suurimmat siipipituudet ovat lähellä kahta metriä. Lujitemuovikomposiittisiivet ovat osoittautuneet kevyemmiksi, kestävämmiksi ja vähemmän vaurioalttiiksi vastaaviin metallisiin siipiin verrattuna.

Erinomaisesti tasapainotettuja, mittapysyviä, korroosiokestäviä ja väsymismurtumille vähemmän alttiita komposiittiteloja valmistetaan erilaisista teloja käyttävistä pienkoneista aina suuriin paino- ja paperikoneisiin saakka. Komposiittitelojen käyttö mahdollistaa koneiden nopeuden noston, sillä teloilla saavutettava painonsäästö metalliteloihin verrattuna voi olla jopa 75 %. Lisäksi komposiittitelojen kulutuksenkesto on parempi, samoin ominaisjäykkyys. Kevyempinä ne rasittavat vähemmän laakereita, mikä pidentää laakereiden käyttöikää. Teloja valmistetaan halkaisijamitoissa 20…1060 mm maksimipituuksien ollessa noin 10 metriä.

Paineastioita valmistetaan kelaamalla useaan eri tarkoitukseen. Kooltaan pienimpiin kuuluvat sukeltajien, sairaanhoidon ja palomiesten kannettavat ilma- ja happisäiliöt sekä nestekaasupullot, suurimpiin taas nestemäisille ja kaasumaisille polttoaineille tarkoitetut varastosäiliöt, joiden vetoisuus voi olla lähes 1 m³. Sekä liikuteltavien että varastointiin tarkoitettujen kevyiden paineastioiden kehitystyö jatkuu voimakkaana, koska niille nähdään hyvin monimuotoista ja suurta tarvetta tulevaisuudessa.

Lääketieteellisistä sovellutuksista tunnettuja ovat röntgentutkimuksessa käytettävät potilaspöydät ja muut röntgensäteitä läpäisevät röntgenlaitteiden hiilikuitulujitetut muoviosat, joihin kuuluvat myös kuvaustasot. Oman ryhmänsä muodostavat ylä- ja alaraajaproteesit ja erilaiset rakenteeltaan hyvinkin monimutkaiset polvi- ja kyynärsuojat, kehonsisäiset lonkka- ja polvinivelet sekä sydämen läpät ja hydrauliset moottorit. Luunmurtumien tuentaan lähinnä pään alueella käytetään suulakevedettyjä tai kelaamalla valmistettuja putkia tai tankoja, jotka voidaan yksinkertaisella kiinnitysmekanismilla liittää yhteen muotonsa säilyttäväksi tukikehikoksi. Aikaisemmin käytettyihin vastaaviin teräsputkiin verrattuna näiden taivutuslujuudet ovat 2,5…3-kertaiset ja jäykkyydet vähintään 10 % suuremmat. Hiilikuitulujitetusta muovista valmistettuina ne ovat lisäksi röntgensäteitä läpäiseviä.

Erikoisena sovellutuksena mainittakoon putkiprofiileista kootut lyömäsoitinten kiinnitys- ja kannatuskehikot, joita valmistetaan eri versioina. Näiden etuina on keveyden ja suuren jäykkyyden lisäksi se, että eri lyömäsoittimet voidaan aina kiinnittää tarkasti samaan kohtaan ja asentoon. Samaan ryhmään voidaan liittää lujitemuovista valmistetut soittimet ja soittimien osat, mm. suomalainen hiilikuituhuilu sekä erilaiset kolmijalat ja mikrofonin pitkät kannatintangot, joiden on oltava erittäin jäykkiä äänen huojunnan välttämiseksi. Musiikkiin liittyvät myös kuitulujitetut muoviset kaiutin ”paperit”.

11.4.2   Materiaalit

Kone- ja laitesovelluksissa merkittävin lujitekuitu on lasikuitu. Hiilikuituja käytetään vain vaativissa sovellutuksissa, lähinnä koneenrakennuksessa nopeasti liikkuvissa jäykissä, keveissä ja lujissa osissa, joilta edellytetään pitkää käyttöikää ja erinomaista väsytyskestävyyttä.

Matriisimuoveina erityisesti erilaisten koteloiden, kuori- ja suojarakenteiden valmistuksessa käytetään kestomuoveja. Kertamuoveista polyesterit ja hiilikuitujen yhteydessä epoksit muodostavat valtamuovit. Fenoleja käytetään, kun tuotteilta edellytetään parempia palo-ominaisuuksia. BMC-massat ja muut puristemassat ovat myös käytössä tämän ryhmän tuotteiden valmistuksessa.

11.4.3   Valmistustekniikat

Käytännössä kaikki tavanomaiset valmistusmenetelmät ovat käytössä kone- ja laiteteollisuuden osien valmistuksessa. Piensarjoja valmistetaan käsinlaminoinnilla ja injektointimenetelmillä. Sarjakokojen suurentuessa käytetään ruiskupuristusta ja muita suljettujen muottien menetelmiä. Profiilit ja putket valmistetaan pääsääntöisesti suulakevetämällä tai kuitukelauksella, harvemmin prepreg-käärinnällä.

Veneteollisuus oli ensimmäisiä kuitulujitettujen muovikomposiittien kaupallisia hyödyntäjiä. Lasikuitulujitetusta polyesterihartsista valmistettiin veneitä sarjatuotannossa jo 1940‑luvulla. Muovikomposiittien suosio perustui lähinnä siihen, että veneet olivat hankintahinnaltaan ja ylläpitokustannuksiltaan muita edullisempia sekä kevyitä, mutta rakenteiltaan silti riittävän lujia ja jäykkiä. Menestykseen vaikuttivat lisäksi ulkonäölliset seikat, helppohoitoisuus sekä ympäristöolosuhteiden ja korroosion kestävyys.

Huvi‑ ja kilpaveneistä suurin osa valmistetaan nykyisin lähes kokonaisuudessaan kuitulujitetuista muoveista. Sekä purje‑ että moottoriveneissä runko, kansi, kansirakenteet, pituusjäykisteet, palkit ja laipiot ovat tyypillisesti lujitemuovia. Monirunkoveneissä myös runkoja yhdistävät palkit valmistetaan lujitemuovista. Kilpapurjeveneissä masto, puomit, purjelatat, peräsimet ja peräsinakseli ovat nykyisin valmistetut kuitulujitetusta muovista.

Hyötykäyttöön tarkoitetuissa veneissä sekä laivoissa kuormaa kantavien muovikomposiittiosien käyttö on lisääntymässä kokemusten karttuessa. Osin tai kokonaan lujitemuovista valmistettavat työ‑, huolto‑, pelastus‑ ja partioveneet sekä rahti‑, matkustaja‑ ja kalastusalukset ovat tyypillisesti 10…25 metrisiä yksi‑ tai monirunkoveneitä, kantosiipialuksia tai ilmatyynyaluksia. Suurimmat kokonaan lujitemuovista valmistetut purje- ja moottoriveneet ovat pituudeltaan 60…70 m. Suurimmat lujitemuovista toistaiseksi valmistetut laivat ovat miinanraivaajia ja nopeakulkuisia katamaraaneja, joiden pituus on lähes 100 m. Alusten runko, kansi, laipiot ja kansirakenteet ovat lasikuitulujitteista polyesteriä. Paikallisia jäykistyksiä voidaan valmistaa hiilikuitulujitetuista materiaaleista. Rakenteet ovat usein myös kerroslevyjä.

Valmistussarjat ovat vene‑ ja laivateollisuudessa tyypillisesti pieniä alkaen yksittäiskappaleista muutamiin kymmeniin tai satoihin kappaleisiin. Useimpiin satoihin ja tuhansiin päästään sarjakoossa vain aivan pienimmillä ja suosituimmilla venemalleilla. Tällaisia ovat lähinnä soutuveneet ja huvi‑ ja harrastekäyttöön soveltuvat moottoriveneet. Eniten myytyjen venetyyppien kohdalla valmistussarjojen pienuuteen vaikuttaa paitsi valmistajien lukuisuus ja mallistojen runsaus myös komposiittiosien standardoimattomuus ja moduulirakentamisen hyväksikäyttämättömyys.

Valmistusmenetelmät ja materiaalit riippuvat rakenteille asetetuista vaatimuksista. Valtaosa lujitemuoviveneistä valmistetaan edelleen lasikuitumatosta tai ‑rovingista ja polyesteristä käsinlaminoimalla. Myös kuituruiskutusta käytetään etenkin soutuveneiden ja pienien moottoriveneiden valmistuksessa. Veneteollisuuden suurimmat valmistajat ovat koneellistaneet mallien ja muottien valmistusta voimakkaasti. Samoin valmistustekniikassa pyritään siirtymään suljettuihin menetelmiin kuten alipaineinjektioon. Kuormaa kantavat levymäiset rakenteet ovat joko kuori- tai kerroslevyrakenteisia.

Kilpaveneissä sekä veneissä, joiden rakenteilta edellytetään hyvää lujuus/paino‑suhdetta ja iskunkestävyyttä, käytetään lujitteina hiili‑, aramidi‑ sekä polyeteenikuituja ja matriisimuovina epoksia. Lujitteet ovat pääasiallisesti kudoksia, yhdensuuntaistuotteita tai moniaksiaalilujitteita. Rakenteet valmistetaan käsinlaminoimalla kuitenkin siten, että lujitteet pyritään mahdollisuuksien mukaan esikostuttamaan matriisimuovilla ennen paikoilleen asettamista. Tällä menettelyllä varmistetaan oikean kuitupitoisuuden saavuttaminen. Kovetus suoritetaan yleensä alipaineavusteisena. Hartsisysteemistä riippuen muovikomposiittiosat voidaan jälkikovettaa korotetussa lämpötilassa. Veneiden valmistuksessa käytetään myös matalan lämpötilan prepregejä, joiden kovetuslämpötila on 75…90 °C. Pituudeltaan 18…25 metrin kilpapurjeveneessä on tavallisesti hiili‑ ja aramidikuituja 1,5…4 t ja matriisimuovina vastaava määrä epoksia. Suurimmat kilpaveneiden muovikomposiittimastot ovat lähes 50 m pituisia ja poikkileikkaukseltaan pisaran muotoisia. Maston kuorirakenne on yleensä yhdensuuntaishiilikuituteipistä valmistettu.

Laivoissa muovikomposiittiosia on toistaiseksi varsin vähän. Tavallisimpia käyttökohteita ovat sisustus‑ ja rakennelevyt, ikkunakartiot ja ‑kehykset sekä hyttien ja muiden tilojen kalusteet ja kelaamalla valmistettavat painovesiputket. Sukellusveneissä muovikomposiittiosia ovat mm. antennit, periskoopit, akkukotelot, potkurit ja potkuritunnelit, juomavesisäiliöt, tutkakuvut, komentotornin ohjaustasot, kaapelikanavat sekä erilaiset muotolevyt ja ‑kuvut. Miehitetyissä työ‑ ja tutkimussukellusveneissä työskentelytilat ovat lähes kokonaisuudessaan muovikomposiittiosista valmistetut.

Meriteollisuudessa paineenkestävät muovikomposiittinousuputket ja paineastiat mahdollistavat kevyempien ja kustannuksiltaan halvempien öljynporauslauttojen valmistuksen. Muovikomposiittiputkien paino on noin 40 % teräsputkien painosta. Muovikomposiittiputket ovat korroosionkestäviä ja kevyempinä helpommin käsiteltäviä. Niitä voidaan käyttää myös suuremmissa syvyyksissä kuin teräsputkia. Putkien lujuusominaisuuksia ja lämpölaajenemiskerrointa voidaan materiaalivalinnalla säädellä halutulla tavalla. Meriteollisuudessa ensimmäiset sovellukset olivat hoitotasoja, palo- ja paineseiniä, putkistoja ja säiliötä ja muita sekundäärirakenteita. Tällä hetkellä ensimmäiset primäärirakenteet ovat kehitysasteella. Komposiittirakenteiset öljynporauslautan kansirakenteet tarjoavat painonsäästön lisäksi pienemmät huoltokustannukset ja mahdollistavat huollon ilman hitsausta, joka on suuri uhkatekijä meriteknisessä ympäristössä. Lisäksi komposiittien alhainen lämmönsiirtonopeus on turvallisuustekijä mahdollisessa palotilanteessa. Parhaillaan sarjatuotantoon ovat tulossa telalle kelattavat nousu- ja siirtoputket sekä lautan kiinnitysköydet. Molemmat ovat hiilikuitulujitetuista muoveista valmistettuja rakenteita, joissa materiaalien käyttö lauttaa kohti on kymmeniä tai jopa satoja tonneja.

Maakulkuneuvoissakin pääasialliset komposiittien käytön syyt ovat rakenteiden keventäminen ja tuotantokustannusten alentaminen. Muita oleellisia vaatimuksia ovat kierrätettävyys ja pintarakenteiden osalta hyvä pinnan laatu.

11.2.1   Käyttökohteet

Suurina sarjoina tuotettavissa henkilöautoissa suurimpia ulkoisia komposiittiosia ovat puskurit. Tyypillisiä komposiittituotteita ovat myös pitkillä kuiduilla lujitetut levymäiset osat auton sisärakenteissa. Henkilöautot sisältävät lisäksi runsaasti pieniä tai pienehköjä teknisiä osia, jotka on valmistettu lyhyillä kuiduilla lujitetuista kestomuoveista. Komposiittiosien kokonaismäärä suurina sarjoina tuotettavassa henkilöautossa on auton koosta riippuen 80…120 kg.

Pienempinä sarjoina tuotettavissa automalleissa komposiittien suhteellinen osuus on tavallisesti suurempi. Esimerkiksi urheilu- ja pakettiautojen ulkopaneeleista osa on usein komposiittisia. Komposiiteista valmistetaan myös jousia ja vetoakseleita tämän tyyppisiin autoihin. Vastaavat komposiittirakenteet ovat tavallisia myös linja- ja kuorma-autoissa. Kuorma-autoissa tyypillisiä sovelluksia ovat lisäksi kuormatilat ja ilmanohjauslevyt.

Kilpa-autoissa komposiitteja käytetään runsaasti. Tunnetuimpia sovelluksia ovat ilmanohjauslevyjen ohella Formula 1 autojen itsekantavat korirakenteet.

Kiskokalustossa näkyvimpiä komposiittiosia ovat kaarevat pintapaneelit. Näistä rakenteellisesti vaativimpia ovat nopeiden junien nokkarakenteet. Pintapaneelien ohella komposiitteja käytetään runsaasti sisärakenteissa, mm. lattioissa, istuimissa, tarjotinlevyissä sekä matkatavarahyllystössä. Äärimmäisiä esimerkkejä ovat ”kokonaan komposiittiset” junanvaunut ja raitiovaunut.

11.2.2   Materiaalit ja rakenteet

Maakulkuneuvojen komposiittiosissa lujitteena on tavallisimmin E-lasikuitu. Hiilikuituja käytetään lähinnä vain kilpa-autoissa. Henkilöautoissa käytetään lisäksi lähinnä paremman kierrätettävyyden takia luonnonkuituja kuten pellavaa, hamppua ja jutia. Luonnonkuidut absorboivat runsaasti kosteutta, mistä syystä niitä voidaan käyttää vain kuivassa ympäristössä auton sisärakenteiden lujitteena. Lujitekuituja käytetään monissa eri muodoissa jatkuvina ja ei-jatkuvina tuotteina.

Matriisimuoveina käytetään sekä kerta- että kestomuoveja. Yleisimpiä kertamuoveja ovat tyydyttymättömät polyesterit. Korkeahkoja lämpötiloja kokevissa osissa matriisina voi olla fenoli. Epokseja ja vinyyliestereitä käytetään rakenteellisesti vaativissa osissa. Lujitettuja polyuretaaneja käytetään puolirakenteellisissa kohteissa kuten kojelaudoissa, ovipaneeleissa ja istuimissa. Yleisin kestomuovimatriisi on polypropeeni. Lujitettujen polypropeenisosien pinnan laatu on melko vaatimaton. Pitkillä kuiduilla lujitettujen polypropeenien tyypillisiä sovelluksia ovatkin levymäiset, piiloon jäävät osat. Teknisissä komposiittiosissa yleisin matriisiaine on polyamidi.

Kuljetusvälineiden matriisimuovit ovat useimmiten modifioituja. Lisä- ja täyteaineiden käytön syyt ovat osittain valmistusteknisiä. Usein lisä- ja täyteaineita tarvitaan myös lopputuotteelle asetettujen vaatimusten saavuttamiseen. Tyypillisiä syitä ovat pinnan laadun parantaminen ja tuotteelle asetettujen palovaatimusten täyttäminen.

Henkilöautojen komposiittiosat ovat tyypillisesti jäykistettyjä paneeleita ja muoto-osia. Näiden ohella kuorma-autoissa, junissa yms. hyödynnetään paljon kerroslevyrakennetta. Ydinaineena käytetään kennoja, solumuoveja ja balsaa. Ydin voi sisältää myös pinnasta pintaan risteileviä, pintalujitteisiin integroituja lujitteita, jotka kyllästetään matriisimuovilla kerroslevyn valmistuksen yhteydessä.

11.2.3   Valmistustekniikat

Maakulkuneuvojen kappale- ja sarjakoot ja kappaleille asetetut vaatimukset vaihtelevat suuresti. Kulkuneuvojen komposiittiosia valmistetaankin lähes kaikilla mahdollisilla tekniikoilla.

Autoissa toista ääripäätä edustavat F1-autot, joiden osia valmistetaan prepreg- ja injektiotekniikoilla. Injektiomenetelmiä käytetään myös valmistettaessa levymäisiä osia keskisuurina sarjoina. Pintapaneelit suurina sarjoina valmistetaan pääosin SMC- ja BMC-massoista puristamalla. Ei-näkyviä osia valmistetaan niin ikään puristamalla esim. GMT-levystä. Akseleita ja muita vastaavia tuotteita valmistetaan kelaamalla. Suuria levymäisiä osia valmistetaan alipaineinjektiolla ja ruiskuttamalla. Kontteja ja vastaavia tuotteita valmistetaan myös valmiista kerroslevyistä. Pultruusioprofiileja käytetään palkkeina. Pultruusiolla voidaan myös valmistaa paneeleja, joista edelleen kootaan suurempia levyrakenteita.

Lentokoneteollisuudessa komposiittien käytölle on kaksi pääasiallista syytä: rakenteiden keventäminen ja niiden tuotantokustannusten alentaminen. Komposiittirakenteet ovatkin käytön alkuajoista lähtien olleet selvästi vastaavia metallirakenteita kevyempiä. Merkittäviin kustannussäästöihin päästiin vasta myöhemmin materiaalien ja valmistustekniikoiden kehittymisen myötä. Nykyteknologialla komposiittirakenteilla saavutettavat paino- ja kustannussäästöt ovat 15…20 %, kun vertailukohtana on vastaava alumiinista valmistettu rakenne.

Komposiittien ominaisuuksia hyödynnetään lentokonerakenteissa myös muilla tavoin. Komposiittiset pintarakenteet saadaan perinteisiä rakenteita sileämmiksi, jolloin lentokoneen ilmanvastus pienenee. Tätä ominaisuutta on jo vuosikymmeniä hyödynnetty erityisesti purjelentokoneissa. Tutkakuvut ovat esimerkki rakenteesta, jossa hyödynnetään komposiittien säteilyn läpäisevyyttä.

Avaruusteollisuudessa hyödynnetään erityisesti jäykillä hiilikuiduilla saavutettavaa korkeaa ominaisjäykkyyttä. Komposiiteista valmistetaan myös mittastabiileja rakenteita, joiden kriittisiin mittoihin lämpötilamuutokset eivät käytännössä vaikuta.

11.1.1   Käyttökohteet

Komposiittisten lentokonerakenteiden historia alkaa 1930-luvulta, kun lasikuitujen ja epoksien teollinen tuotanto alkoi. Materiaaleista valmistettiin aluksi lentokoneiden sekundäärisiä rakenneosia kuten muotosuojia ja erilaisia luukkuja. Myös tutkakuvut olivat ensimmäisten sovellusten joukossa.

Pienkoneiden kantavia rakenteita alettiin valmistaa komposiiteista jo varhain. Esimerkiksi kaikki suorituskykyiset purjelentokoneet ovat olleet komposiittirakenteisia jo 1970-luvulta alkaen. Tällä hetkellä suurin osa uusista pienkoneista on komposiittirakenteisia.

Sotilaskoneissakin komposiittien käytön yleistyminen oli nopeaa. Aluksi komposiitteja käytettiin pienehköissä rakenneosissa kuten siivekkeissä ja pyrstörakenteissa. Kokonaan komposiittiset siipirakenteet tulivat käyttöön 1970-luvulla. Nykyisissä hävittäjäkoneissa komposiittien osuus rakennepainosta on noin 25…30 %.

Myös nykyaikaiset helikopterit ovat pääosin komposiittirakenteisia. Esimerkiksi NH-90 helikopterissa koko runkorakenne on käytännössä komposiittinen, samoin roottorin lavat.

Matkustajalentokoneissa komposiittirakenteiden prosentuaalinen osuus on kasvanut hitaimmin. Osittaisena syynä tähän on rakenteille asetetut tiukat turvallisuusvaatimukset. Käyttöönottoa on myös vaikeuttanut primäärirakenteiden suuri koko. Ensimmäisiä käyttökohteita olivat muotosuojien ja luukkujen ohella ohjainpinnat. Seuraavassa vaiheessa kehitettiin komposiittiset pyrstörakenteet. Muita pitkään käytössä olleita komposiittisovelluksia ovat moottorisuojat ja potkurin lavat. Uusimpia sovelluksia ovat paineseinät, matkustamon lattiapalkisto sekä siiven ja rungon liitosalueen kantavat rakenteet. Matkustajakoneen komposiittirakenteinen siipi on teknologisesti lähes valmiiksi kehitetty ja käyttöönottovaiheessa.

Maailman suurimmassa matkustajakoneessa, Airbus-yhtiön A380:ssa komposiittien osuus rakennepainosta on jo yli 20 %. Tämän lisäksi suuri osa rungon pintapaneeleista valmistetaan alumiini- ja lasikuitu/epoksi-kerroksista valmistetuista hybridilaminaateista.

11.1.2   Materiaalit

Komposiittisten lentokonerakenteiden lujitemateriaalina on pääsääntöisesti hiilikuitu. Suurin osa rakenteista valmistetaan SM-tyyppisistä kuiduista, joskin IM-tyyppisten kuitujen käyttö on lisääntymässä. Lasi- ja aramidikuituja käytetään lähinnä erikoissovellutuksissa, esimerkiksi tutkakuvuissa ja kevyesti kuormitetuissa muotosuojissa.

Mekaanisen suorituskyvyn maksimoimiseksi lujitteet ovat lentokonerakenteissa aina jatkuvia. Yleisimmät lujitteiden käyttömuodot ovat yhdensuuntaiskerrokset, kudokset ja moniaksiaalilujitteet. Kuitupitoisuus on korkea, tyypillisesti noin 60 t%.

Matriisiaineet ovat pääsääntöisesti sitkistettyjä epokseja. Bismaleimidejä ja muita polyimidejä käytetään jonkin verran rakenteissa, joiden käyttölämpötilat ovat epokseille sallittuja lämpötiloja korkeammat. Epoksit eivät myöskään täytä lentokoneen sisustusrakenteille asetettuja palovaatimuksia. Näissä sovelluksissa matriisina on tavallisesti fenoli tai jokin kehittynyt kestomuovi.

11.1.3   Valmistustekniikat

Komposiittiset lentokoneosat ovat useimmiten levymäisiä tai kotelomaisia rakenteita. Levyosia ja kotelon pintapaneeleja jäykistävät tarvittaessa kaaret ja pituusjäykisteet. Kerroslevyrakenteita käytetään runsaasti pienkoneissa sekä jossain määrin myös sotilas- ja matkustajalentokoneissa. Kerroslevyn ydinaineena on useimmiten kenno. Rakenteet ovat varsin pitkälle integroituja kokonaisuuksia. Liitoksia vähentämällä on pystytty saavuttamaan sekä paino- että kustannussäästöjä.

Ensimmäiset komposiittiset lentokonerakenteet valmistettiin perinteisellä märkälaminointitekniikalla. Prepreg-laminointi ja autoklaavikovetus yleistyivät 1960-luvulla. Sittemmin tämä valmistustapa oli pitkään lentokoneenrakennuksen ”standardimenetelmä”. Viime vuosina sen rinnalle ovat nousseet injektiotekniikat, joiden käyttö yleistyy nopeasti. Prepreg-laminoinnissa käytetään eniten yhdensuuntaisprepregejä, jonkin verran myös kudosprepregejä. Injektiotekniikoissa yleisimmät lujitetuotteet ovat yhdensuuntaiskerrokset, moniaksiaalilujitteet ja kudokset.

Lentokonerakenteita valmistetaan jossain määrin myös muilla menetelmillä. Kuitukelausta käytetään erilaisten säiliöiden ja putkien valmistukseen. Kuitukelauksesta ja automatisoidusta prepreg-laminoinnista kehitettyä kuitulaminointia käytetään myös sekä kertamuovi- että kestomuovipohjaisten osien valmistuksessa. Kestomuoviosia valmistetaan myös lämpömuovaamalla.