Ainetta lisäävät menetelmät lentokoneiden korjauksissa

Onni-Pekka Häkkinen

AINETTA LISÄÄVÄT MENETELMÄT LENTOKONEIDEN KORJAUKSISSA

Kandidaatintyö

Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta

Tarkastaja: Jouko Laitinen

Marraskuu 2021

Onni-Pekka Häkkinen: Ainetta lisäävät menetelmät lentokoneiden korjauksissa Kandidaatintyö

Tampereen yliopisto Konetekniikka Marraskuu 2021

Tässä työssä selvitetään ainetta lisäävien valmistusmenetelmien käyttöä lentokoneiden ja mui- den ilma-alusten korjauksissa. Työssä keskitytään metalleista valmistettuihin komponentteihin ja rakenteisiin. Tavoitteena on selvittää, millaisia ilma-alusten korjauksia ainetta lisäävillä menetel- millä on tehty tai on kehitteillä, millä menetelmillä korjauksia on mahdollista tehdä ja mitä hyötyjä tai vaikutuksia korjauksilla on eli miksi niitä tehdään. Työssä käytetty aineisto on haettu tieteelli- sistä tietokannoista Tampereen yliopiston Andor-hakupalvelulla sekä julkisesta internetistä haku- koneella.

Ilma-alusten osiin ja rakenteisiin tulee käytön myötä korjausta vaativia vikoja kuten kulumia, syö- pymiä, mekaanisia vaurioita ja väsymisvaurioita. Jotkin komponentit ovat sellaisia, ettei niiden korjaaminen ole perinteisin menetelmin mahdollista, yleensä korjaamiseen liittyvä korkean läm- möntuonnin vuoksi. Ainetta lisäävillä menetelmillä lämmöntuonti voi kuitenkin olla vähäisempää, jolloin näiden komponenttien korjaaminen tulee mahdolliseksi. Erityisen vähäisen lämmöntuonnin menetelmä on kylmäruiskutus, jota onkin hyödynnetty käyttöön otetuissa korjauksissa eniten.

Kirjallisuudesta löytyneet käyttöön hyväksytyt esimerkit ovat kaikki geometrisia eli kuormaa kan- tamattomia korjauksia. Ne on pääosin toteutettu kylmäruiskutuksella, mutta laseriin perustuvaa suorakerrostusta on myös käytetty. Rakennekorjaukset eli kuormaa kantavat korjaukset ovat ke- hitysvaiheessa ja niissäkin on toistaiseksi keskitytty kylmäruiskutukseen. Yleisin käytössä oleva korjaus on lentokoneen tai helikopterin jonkin magnesiumseoksesta valmistetun vaihdelaatikon kotelon korroosiokorjaus. Magnesiumseosten lisäksi korjattavat komponentit ovat yleisimmin val- mistettu alumiini- tai titaaniseoksista.

Kylmäruiskutuksen ja suorakerrostuksen lisäksi myös jauhepetimenetelmää on kirjallisuudessa yritetty soveltaa korjaamiseen, mutta toistaiseksi huonoin tuloksin. Korjausten keskeisimmät hyö- dyt ovat kustannus- ja aikasäästöt. Korjattu osa voi korjauksen jälkeen olla jopa alkuperäistä pa- rempi, esimerkiksi jos korroosiolle altis kappale korjataan käyttäen korroosiota paremmin kestä- vää ainetta.

Avainsanat: ainetta lisäävät menetelmät, valmistus, korjaus, lentokone, ilma-alus

Tämän julkaisun alkuperäisyys on tarkastettu Turnitin Originality Check –ohjelmalla.

1. JOHDANTO ... 1

2. LENTOKONEKORJAUKSEN JA AINETTA LISÄÄVIEN MENETELMIEN PERUSTEET... 3

2.1 Ilmailuviranomaiset ja ilmailulainsäädäntö ... 3

2.2 Lentokonehuollon ja -korjauksen perusteet ... 3

2.3 Ainetta lisäävien menetelmien perusteet... 5

2.4 Ainetta lisäävien menetelmien käyttö komponenttien korjaamiseen ... 9

3. KORJATTAVAT OSAT JA UUSIEN KORJAUSTEN KEHITYS ... 12

3.1 Aineiston haku ... 12

3.2 Geometriset korjaukset ... 12

3.2.1 Kylmäruiskutusta hyödyntävät geometriset korjaukset ... 13

3.2.2 Jauhepeti- ja suorakerrostusmenetelmiä hyödyntävät geometriset korjaukset ... 18

3.3 Rakennekorjausten kehitys ... 21

3.4 Esimerkkitapaus 1: Lentokoneen pintalevyn kiinnitinreiät ... 25

3.5 Esimerkkitapaus 2: Hävittäjän sivuperäsimen haarukka ... 26

4. YHTEENVETO ... 28

LÄHTEET ... 30

1. JOHDANTO

Ainetta lisäävät valmistusmenetelmät ovat erityisen kiinnostavia ilmailualalla, koska ne mahdollistavat sellaisten massaa säästävien rakenteiden suunnittelun ja valmistamisen, joiden valmistaminen perinteisin menetelmin on mahdotonta. Ainetta lisääviä menetel- miä käytettäessä myös materiaalihukka on huomattavasti vähäisempää, jopa olema- tonta, perinteisiin menetelmiin verrattuna. Tästä on hyötyä erityisesti ilmailualalla tyypil- lisiä kalliita materiaaleja, kuten titaania, käytettäessä.

Tässä työssä perehdytään kuitenkin vähemmälle huomiolle jääneeseen sovelluskohtee- seen, komponenttien korjaamiseen. Ilmailun tiukkojen turvallisuusvaatimusten, pitkälle erikoistuneiden materiaalien ja vaativien käyttöolosuhteiden vuoksi lentokoneissa, erityi- sesti niiden suihkumoottoreissa, on useita kalliita komponentteja, joita ei voida perin- teisin menetelmin korjata. Uusien korjausmenetelmien tavoitteena on mahdollistaa sel- laisten osien korjaus, joita ei ole ennen voinut korjata sekä tehdä osien korjauksista hal- vempia ja luotettavampia eli säästää lentokoneiden korjaus- ja ylläpitokustannuksissa.

Työssä vastataan kolmeen tutkimuskysymykseen:

1. Mitä komponentteja ainetta lisäävin menetelmin on mahdollista korjata?

2. Mitä menetelmiä korjauksiin voidaan käyttää?

3. Mitä vaikutuksia ja hyötyjä ainetta lisäävien menetelmien käytöllä voidaan saa- vuttaa?

Käytössä olevien ainetta lisäävien menetelmien ja lentokoneissa yleisten rakenteiden ja rakenneaineiden vuoksi työssä keskitytään metallisten komponenttien ja rakenteiden korjauksiin, johon löydetty tutkimusaineistokin keskittyi. Muiden materiaalien (kuitukom- posiitit, muovit) korjaus joko ei ole mahdollista ainetta lisäävillä menetelmillä, käytännöl- listä, tarpeellista tai niille on jo olemassa omat hyväksi havaitut menetelmänsä.

Työn alussa esitellään lentokoneiden korjauksen ja ainetta lisäävien menetelmien pe- rusteet. Sitten esitellään kirjallisuudesta löytyneitä esimerkkejä ainetta lisäävien mene- telmien soveltamisesta lentokoneiden ja helikoptereiden korjauksiin, eritellen geometri- set ja rakennekorjaukset sekä korjauksiin käytetyt menetelmät. Lisäksi esitellään kaksi

esimerkkitapausta, joita tarkastellaan lähemmin tutkimuskysymysten kautta. Lopuksi esi- tetään yhteenveto työn tuloksista tutkimuskysymysten suhteen ja pohditaan muita ai- netta lisäävien menetelmien sovellus- ja kehityskohteita lentokoneiden korjauksissa.

2. LENTOKONEKORJAUKSEN JA AINETTA LI- SÄÄVIEN MENETELMIEN PERUSTEET

2.1 Ilmailuviranomaiset ja ilmailulainsäädäntö

Länsimaissa vaikutusvaltaisimmat ilmailuviranomaiset ovat Yhdysvaltain ilmailuhal- linto FAA (engl. Federal Aviation Administration) ja Euroopan lentoturvallisuusvirasto EASA (engl. European Union Aviation Safety Agency). Niiden tehtävä on säännellä ja valvoa lentoturvallisuutta. Viranomaiset muun muassa asettavat vaatimukset lentokonei- den ja muiden ilma-alusten suunnittelulle, operoinnille ja huollolle, ilma-aluksia operoivan ja huoltavan henkilöstön koulutukselle, ilma-aluksia suunnittelevien, operoivien ja huol- tavien organisaatioiden toiminnalle, lento- ja huoltohenkilöstön koulutusorganisaatioiden toiminnalle ja laaja-alaisesti myös muille lentoturvallisuuteen vaikuttaville toimijoille ja te- kijöille, kuten lentoesteiden, esimerkiksi korkeiden mastojen ja tuulivoimaloiden, merkit- semiselle.

EASA:n perustamisesta, tavoitteista ja toimivaltuuksista on säädetty Euroopan parla- mentin ja neuvoston asetuksessa N:o 2018/1139. Komission asetuksessa N:o 748/2012 esitetään ilma-aluksia sekä niiden suunnittelu- ja tuotanto-organisaatioita koskevat vaa- timukset. Ilma-alusten huoltoa, korjaamista ja yleistä jatkuvan lentokelpoisuuden ylläpi- toa koskevat vaatimukset annetaan Euroopan komission asetuksessa N:o 1321/2014 ja sen liitteissä.

Virastojen välisen yhteistyön sekä ilmailualan muiden osapuolten toiminnan helpotta- miseksi FAA:n ja EASA:n säädökset ovat pitkälti yhteneväiset, jopa nimeämistään myö- ten (Hinsch 2018, s. 41). Esimerkiksi ilma-alusten lentokelpoisuutta sekä niiden suunnit- telu- ja tuotanto-organisaatioiden sertifiointia koskevat vaatimukset annetaan FAA:n sää- döksessä 14 CFR Part 21 (engl. Code of Federal Regulations, liittovaltion säännöstö).

Samoista asioista lähes samansisältöisesti säädetään Euroopassa komission asetuksen N:o 748/2012 liitteessä I, jolle on vastaavasti annettu nimi Part 21 (suom. 21 osa). Eroa- vuuksiakin kuitenkin on. Esimerkiksi ilma-alusten korjauksista ja niiden suunnittelusta säädetään 21 osan M alaluvussa, mutta 14 CFR Part 21 ei sisällä vastaavaa alalukua Subpart M.

2.2 Lentokonehuollon ja -korjauksen perusteet

Lentoturvallisuuden takaamiseksi lentokoneiden valmistajat ja ilmailuviranomaiset aset- tavat tiukat vaatimukset ja ohjeet sille, mitä osia, miten, kuinka usein ja kuka lentokoneita

huoltaa. Lentokoneille tehdään jatkuvasti lentojen välissä pienempiä huoltoja ja tarkis- tuksia. Suurempia huoltoja tehdään käyttötuntien, lentosyklien tai kalenterivuosien mu- kaan. Lentosyklin muodostavat yksi nousu ja laskeutuminen.

Ilma-aluksen suunnittelijan on Euroopan komission asetusten N:o 748/2012 ja N:o 1321/2014 mukaisesti suunniteltava ilma-alukselle huolto-ohjelma ja toimitettava se ilma-aluksen käyttäjälle. Liikennelentokoneelle tehtävät huollot koostuvat tyypillisesti moottorien öljymäärän tarkistuksista, päivittäishuolloista, sekä A-, B-, C- ja D-huolloiksi kutsutuista huoltopaketeista, joista A-huolto on suppein ja D-huolto laajin. B-huolloista on nykyisin monin paikoin luovuttu, ja niiden sisältämät tehtävät on sisällytetty A- ja C- huoltoihin. A-huoltojen väli on tyypillisesti useita satoja lentotunteja ja D-huoltojen väli muutaman kymmenen tuhatta lentotuntia. (Kinnison & Siddiqui 2013, 2.7, 9.5, 13.1.) Linjahuolloksi kutsutaan lentojen välissä tehtävää huoltoa, joka tyypillisesti sisältää öljy- määrän tarkistukset, päivittäistarkistukset ja A-huollot. Linjahuolto tulisi suorittaa lento- koneen aikataulua häiritsemättä. Linjahuollon mahdollistamiseksi tärkeitä konsepteja ovat linjavaihdettavat yksiköt (engl. line replaceable unit, LRU), jotka mahdollistavat vi- kaantuneiden yksiköiden helpon vaihdon, sekä minimivarustelista (engl. minimum equip- ment list, MEL), joka määrittelee mitkä lentokoneen järjestelmät saavat olla lennolle läh- tiessä vikaantuneita, ja kauanko lentokoneella saa vikaantuneena operoida. (Kinnison &

Siddiqui 2013, 5.4–5.5, 13.4.)

Raskashuollolla tarkoitetaan tyypillisesti C- ja D-huoltoja, jolloin lentokone on pois liiken- teestä ja siihen tehdään hyvin laajamittaisia huoltoja ja tarkistuksia. Pieni C-huolto voi valmistua viikossa, ja suuriin D-huoltoihin voi mennä kuukausia. Lentokoneiden huolto- toimintaan liittyvät myös varsinaisten huoltohallien lisäksi joko lentoyhtiön omat tai ulko- puolisen toimijan komponenttikorjaamot, joissa lentokoneesta irrotettujen vikaantunei- den komponenttien ja kokoonpanojen varsinainen korjaaminen tapahtuu. (Kinnison &

Siddiqui 2013, 14.1.) Ainetta lisäävien menetelmien hyödyntäminen lentokoneiden kor- jauksissa tapahtuisi siten todennäköisesti juuri komponenttikorjaamoissa.

Ilmailumääräyksessä AIR M1-5 (2016) tarkoitetaan huollolla “– – ilma-aluksen tai ilma- aluksen osan kaikkea perushuoltoa, määräaikaishuoltoa, korjausta, tarkastusta, muu- tosta tai vian korjausta tai niiden yhdistelmiä, lukuun ottamatta lentoa edeltävää tarkas- tusta – –”. Huolto voi siis sisältää myös korjausta. Euroopan komission asetuksen N:o 748/2012 kohdan 21.A.431A alakohdassa c) annetaan korjaukselle seuraava määri- telmä: “’Korjauksella’ tarkoitetaan vaurion poistamista ja/tai tuotteen palauttamista lento- kelpoiseen tilaan sen jälkeen kun tuotteen, osan tai laitteen valmistaja on alun perin luo- vuttanut tuotteen, osan tai laitteen käyttöön”.

Lentokoneisiin ja niiden komponentteihin syntyy korjausta vaativia poikkeamia sekä ta- vallisesta käytöstä johtuvan kulumisen että vahinkojen seurauksena. Joidenkin, usein erittäin kalliiden, komponenttien korjaaminen ei ole ollut mahdollista perinteisiä mene- telmiä käyttäen, esimerkiksi hitsaamalla. Ainoa vaihtoehto on silloin osan vaihtaminen uuteen. Varaosien toimitusajat voivat myös olla pitkiä, erityisesti jos osan tarve tulee yl- lättäen. Ainetta lisäävillä menetelmillä sekä haetaan ratkaisua osien korjaamiseen että voidaan muuttaa osien toimitusketjua siirtämällä osien valmistus asiakkaan luokse.

Tässä työssä selvitetään, mihin lentokoneiden ja muiden ilma-alusten osien korjauksiin ainetta lisääviä menetelmiä on käytetty tai olisi mahdollista käyttää.

2.3 Ainetta lisäävien menetelmien perusteet

Metallikappaleille, joilta vaaditaan hyvää mitta- ja muototarkkuutta sekä pinnanlaatua, on tyypillistä niiden valmistaminen koneistamalla. Koneistaminen, tai laajemmin lastuava työstö, käsittää lukuisia erilaisia menetelmiä, joille on yhteistä materiaalin poistaminen aihiosta halutun lopullisen muodon eli kappaleen valmistamiseksi. Ainetta lisäävien me- netelmien periaate on päinvastainen. Lähtökohta on sama kuin nykyaikaisessa tietoko- neohjatussa koneistamisessakin eli tietokoneella suunniteltu kolmiulotteinen malli val- mistettavasta kappaleesta. Seuraavaksi malli syötetään yleensä erilliseen ohjelmistoon, joka jakaa mallin lukuisiin ohuisiin poikkileikkauksiin ja muodostaa kappaleen valmistuk- seen tarvittavan ohjelman. Ohjelma syötetään sitten laitteelle, joka valmistaa kappaleen kerros kerrokselta. (Cotteleer et al. 2014; Frazier 2014.) Kerroksittainen valmistus on ominaista ainetta lisääville menetelmille. Ainetta lisäävää valmistusta kutsutaan usein kansankielisesti 3D-tulostukseksi. Käyttökohteen mukaan valmistettu tai korjattu kappale voi vielä tarvita jälkikäsittelyä, esimerkiksi lämpökäsittelyn tai koneistamista, haluttujen mekaanisten ominaisuuksien, pinnanlaadun tai ulkonäön saavuttamiseksi.

Frazier (2014) on jaotellut metalleille sopivat ainetta lisäävät menetelmät kolmeen pää- luokkaan: jauhepetimenetelmä, suorakerrostus jauhesyötöllä ja suorakerrostus lan- kasyötöllä. Energianlähteenä on tyypillisesti lasersäde, elektronisuihku tai valokaari.

Kuvassa 1 on esitetty jauhepetijärjestelmän toimintaperiaate ja rakenne. Jauhepetime- netelmässä rakennusalustalle levitetään ensin ohut kerros metallijauhetta. Jauhetta su- latetaan lasersäteellä tai elektronisuihkulla siten, että muodostuu kappaleen pohjan poik- kileikkaus. Jauhetta levitetään uusi kerros ja siihen sulatetaan kappaleen poikkileikkaus.

Näin jatketaan, kunnes kappale on valmis. (Frazier 2014.) Jauhepetimenetelmä soveltuu hyvin kappaleiden valmistamiseen, mutta sen käyttö olemassa olevan kappaleen suo- raan korjaamiseen olisi hankalaa. Esimerkiksi uuden jauhekerroksen levittävä tela kul-

kee rakennusalustan yli, joten kappale ei saa ylettyä jauheen pintaa ylemmäs. Vaurioi- tuneen kappaleen korjaamisen kannalta tämä tarkoittaisi, että pinnan, johon ainetta alet- taisiin lisätä, täytyisi olla tasomainen ja kappaleen ylin kohta.

Suorakerrostuksessa metallijauhetta tai -lankaa syötetään suuttimesta juuri haluttuun kohtaan kappaletta tai rakennusalustaa, jossa se sulatetaan lasersäteellä, elektronisuih- kulla tai valokaarella (Frazier 2014). Suorakerrostukseen vaadittava laitteisto voidaan liittää CNC-ohjattuun (engl. computer numerical control) työstökeskukseen tai teollisuus- robottiin. Käsivarsimallisen teollisuusrobotin tai 5-akselisen työstökeskuksen liikkeen useammasta vapausasteesta on hyötyä erityisesti kappaleita korjattaessa, jolloin tulos- tuspään tarvitsee usein kyetä väistämään olemassa olevaa geometriaa. Etuna on myös kyky tuottaa täysin kolmiulotteisia materiaalikerroksia tasomaisten kerrosten lisäksi. Ku- vassa 2 on esitetty metallijauhetta ja lasersädettä hyödyntävän suorakerrostusjärjestel- män toimintaperiaate ja rakenne.

Edellä esitettyjen pääluokkien lisäksi on viimeisen kymmenen vuoden aikana yhä enem- män alettu tutkia kylmäruiskutuksen soveltuvuutta ainetta lisääväksi valmistusmenetel- mäksi. Menetelmää ei kuitenkaan mainita muutaman vuoden vanhoissa laajasti metal- lien ainetta lisääviä menetelmiä käsittelevissä kirjallisuuskatsauksissa (Guo & Leu 2013;

Frazier 2014), vaikka tutkimustuloksia on julkaistu jo aiemmin (Pattison et al. 2007; Cad- ney et al. 2008). Kylmäruiskutus on kuitenkin ollut jo pitkään käytössä esimerkiksi eri- laisten kulutusta kestävien pinnoitteiden valmistuksessa, missä yhteydessä se on perin- teisesti ryhmitelty osaksi termisiä ruiskutusmenetelmiä (Pattison et al. 2007). Ensimmäi- nen kylmäruiskutukseen liittyvä patentti on jo vuodelta 1902 (Thurston), ja nykymuo- Kuva 1. Jauhepetijärjestelmän toimintaperiaate ja rakenne. Muokattu lähteestä (Frazier

2014).

toonsa se on kehitetty 1980-luvulla silloisen Neuvostoliiton tiedeakatemian tutkimusyk- sikössä Novosibirskissä (Papyrin et al. 2007, s. 1). Alkhimov et al. ovat patentoineet ny- kyaikaisen kylmäruiskutusjärjestelmän vuonna 1994 (Alkhimov et al. 1994).

Kylmäruiskutusmenetelmä perustuu ruiskutettavien partikkelien kiihdyttämiseen riittävän suureen nopeuteen, jotta ne tarttuvat kiinni korjattavan kappaleen perusaineeseen tai aiemmin ruiskutettuihin kerroksiin. Kiinnittyminen perustuu törmäyksessä tapahtuvaan partikkelin ja perusaineen plastiseen muodonmuutokseen, jonka seurauksena niiden vä- lille muodostuu luja mekaaninen ja metallurginen sidos. Kattava kuvaus mekanismin yk- sityiskohdista on esitetty lähteessä Assadi et al. (2016).

Kuvassa 3 on esitetty kylmäruiskutusjärjestelmän toimintaperiaate ja rakenne. Kyl- märuiskutuslaitteistossa prosessikaasuvirtaus jaetaan kahteen osaan. Raaka-aineena oleva jauhe syötetään yhteen virtaukseen, ja toinen virtaus kulkee lämmittimen läpi, jossa se lämmitetään korkeaan lämpötilaan. Virtaukset yhdistetään, ja lopullinen virtaus kulkee laval-suuttimen läpi, jossa se kiihtyy ylisooniseksi. (Yin et al. 2018.)

Kylmäruiskutuksessa tapahtuvaan plastiseen muodonmuutokseen tarvitaan energiaa, joka saadaan partikkelien liike-energiasta. Partikkelien tyypillinen halkaisija on 5–100 µm, joten yksittäisen partikkelin massa on hyvin pieni. Siksi ne on kiihdytettävä hyvin suureen nopeuteen, joka on tyypillisesti 300–1500 m/s. (Champagne et al. 2018a, s. 799.) Sopiva nopeus riippuu käytettävistä materiaaleista; liian pienellä nopeudella par- tikkelit eivät tartu perusaineeseen vaan kimpoavat, ja liian suurella nopeudella ruiskutus aiheuttaa perusaineen eroosiota eli materiaalia irtoaa kappaleesta (Schmidt et al. 2009).

Kuva 2. Metallijauhetta ja lasersädettä hyödyntävän suorakerrostusjärjestelmän toimin- taperiaate ja rakenne. Muokattu lähteestä (Frazier 2014).

Äänen nopeus riippuu väliaineesta ja lämpötilasta, ilmassa 20 °C lämpötilassa se on noin 340 m/s, eli käytetyt nopeudet ovat useimmiten selvästi ylisoonisia. Virtauksen kiih- dyttämiseksi ylisooniseksi tarvitaan edellä mainittu laval-suutin. Prosessikaasuna käyte- tään tyypillisesti typpeä tai heliumia. Heliumia käytetään, koska äänen nopeus on siinä suurempi kuin ilmassa, jolloin suuttimen ulostulonopeus on myös suurempi. Heliumin käyttöä rajoittaa kuitenkin sen hinta. Kaasua lämmitetään, koska laval-suuttimen ulostu- lonopeuteen vaikuttavat käytetyn kaasun lisäksi virtauksen sisääntulolämpötila ja -paine.

Lämpötila on tyypillisesti 25–1000 °C ja paine 0,5–6,0 MPa. (Yin et al. 2018.)

Kuvattua menetelmää kutsutaan korkeapainekylmäruiskutukseksi. Se on matalapaine- kylmäruiskutusta suorituskykyisempi menetelmä ja tämän työn aihealueen kannalta oleellisempi. Matalapainekylmäruiskutus eroaa edellisestä siten, että kaasun lämpötila ja paine ovat edellä mainitun vaihteluvälin alemmasta päästä ja jauhe syötetään virtauk- seen vasta suuttimen kurkun jälkeen. (Yin et al. 2018.) Matalapainekylmäruiskutuslai- tetta käytetään yleensä käsin, kun taas korkeapainekylmäruiskutuslaitteisto on yleensä kiinnitetty teollisuusrobottiin (Assadi et al. 2016; Raoelison et al. 2017; Yin et al. 2018).

Korkeapainekylmäruiskutuslaitteiston integrointi työstökeskukseen on myös mahdollista (Pattison et al. 2007). Joka tapauksessa kappale yleensä koneistetaan lopulliseen muo- toonsa (Yin et al. 2018). Heliumin käytön kustannusten pienentämiseksi on myös kehi- tetty laitteistoja prosessikaasun kierrättämiseen, jolloin ruiskutuksen täytyy tapahtua sul- jetussa tilassa (Pattison et al. 2007).

Kylmäruiskutuksessa raaka-aine pysyy kiinteässä olomuodossa koko prosessin ajan, mikä on menetelmän merkittävin ero muihin ainetta lisääviin ja termisiin ruiskutusmene- telmiin. Etuna on aineen mikrorakenteen raekoon ja koostumuksen säilyminen. (Pattison et al. 2007; Assadi et al. 2016; Yin et al. 2018; Champagne et al. 2018a s. 800–801.) Kuva 3. Kylmäruiskutusjärjestelmän periaatekuva. Muokattu lähteestä (Schmidt et al.

2009).

Vaikka kaasun lämpötila voi laitteistossa olla jopa 1000 °C, laval-suuttimessa tapahtuvan kiihtymisen ja kaasun laajenemisen seurauksena sen lämpötila laskee huomattavasti heti suuttimen kurkun jälkeen (Champagne et al. 2018a, s. 800–801). Verrattain matalan lämpötilan ansiosta voidaan välttää tai minimoida muille menetelmille ominainen haital- linen lämpövaikutusalue (engl. heat-affected zone, HAZ) (Assadi et al. 2016). Kun pro- sessikaasuna käytetään happea sisältämätöntä kaasua, toimii se myös suojakaasuna, jolloin kaasun ja matalan lämpötilan yhteisvaikutuksesta voidaan kylmäruiskutuksen pe- rus- ja pinnoiteaineina käyttää myös hapettumiselle herkkiä aineita (Pattison et al. 2007;

Assadi et al. 2016; Raoelison et al. 2018).

Keskenään varsin samankaltaisista ainetta lisäävistä menetelmistä käytetään kirjallisuu- dessa useita erilaisia nimityksiä, joista jotkin ovat kaupallisten toimijoiden tavaramerk- kejä. Tämän työn aihealueeseen liittyviä kirjallisuudessa käytettäviä nimiä ja lyhenteitä on kerätty taulukkoon 1.

Taulukko 1. Työn aihealueen kannalta keskeisistä ainetta lisäävistä menetelmistä käytettäviä nimiä ja lyhenteitä.

2.4 Ainetta lisäävien menetelmien käyttö komponenttien kor- jaamiseen

Lentokoneissa ja muissa ilma-aluksissa, erityisesti niiden moottoreissa ja voimansiir- roissa, on useita kalliista materiaaleista kallein menetelmin valmistettuja komponentteja.

Teknologia Lyhenne Koko nimi

kylmäruiskutus CS cold spray

SPD supersonic particle deposition suorakerrostus DED directed energy deposition (yläkäsite)

DMD direct metal deposition

LAAM laser aided additive manufacturing LAD laser additive deposition

LAM laser additive manufacturing LENS laser engineered net shaping LMD laser metal deposition

LNSM laser net shape manufacturing jauhepeti PBF powder bed fusion (yläkäsite)

SLM selective laser melting SLS selective laser sintering

Kalleuden lisäksi – tai sijasta – voi ilma-aluksen huollon tai korjauksen esteeksi nousta myös varaosan saatavuus tai toimitusaika. Kyky korjata vaihtoa tarvitseva komponentti olisi siis usein tarpeellinen, mutta monesti juuri arvokkaimmat komponentit ovat sellaisia, ettei niille ole olemassa soveltuvaa korjausmenetelmää. Ongelmia aiheuttaa useimmiten olemassa oleviin menetelmiin, kuten hitsaukseen, liittyvä korkea lämpötila. Korkea läm- pötila voi pilata korjattavan kappaleen lämpökäsittelyn, aiheuttaa jäännösjännityksiä ja erityisesti ohutseinäisissä kappaleissa muodonmuutoksia. Kylmäruiskutuksessa ja la- sersäteeseen tai elektronisuihkuun perustuvissa ainetta lisäävissä menetelmissä läm- mön tuonti kappaleeseen on riittävän vähäistä, jotta edellä esitetyt ongelmat suurelta osin vältetään. Sen vuoksi monien aiemmin korjauskelvottomien komponenttien korjaa- minen on näillä menetelmillä mahdollista. (R. Liu et al. 2017, s. 361–362.)

Korjattavilla komponenteilla on yleensä mitta- ja muototarkkuuteen liittyviä vaatimuksia, joita ainetta lisäävät menetelmät eivät ainakaan nykyisellään pysty itsenäisesti täyttä- mään. Siksi korjauksiin tarvitaan aineen lisäämisen lisäksi myös ainetta poistavia mene- telmiä, yleensä CNC-koneistusta, jolla korjattava kappale viimeistellään lopulliseen muo- toonsa. Aineen poistoa voidaan tarvita myös korjauksen alkuvalmistelussa, jotta aineen lisäykselle voidaan määrittää tarkka alue ja varmistaa hyvä tartuntapinta. Menetelmästä, jossa ainetta sekä lisätään että poistetaan, voidaan käyttää termiä hybridivalmistus.

(R. Liu et al. 2017, s. 363–364.) Hybridilaitteella tarkoitetaan CNC-työstökonetta, johon on integroitu myös ainetta lisäävä laitteisto (Tepylo et al. 2019).

R. Liu et al. (2017, s. 363) ovat jakaneet aineen lisäystä hyödyntävän korjausprosessin kolmeen päävaiheeseen kuvan 4 mukaisesti. Valmisteluvaiheessa ensin varmistetaan korjattavan osan korjauskelpoisuus ja selvitetään sen mitta- ja muotopoikkeama ehjään kappaleeseen verrattuna. Vertailua varten tarvitaan tietokonemallit sekä korjattavasta että ehjästä kappaleesta. Vaurioituneen kappaleen malli saadaan esimerkiksi koordi- naattimittakoneella tai kolmiulotteisesti skannaamalla. Ellei ehjästä kappaleesta ole en- nestään olemassa tietokonemallia voidaan se tuottaa samoin kuin vaurioituneellekin kappaleelle, jos vain käytössä on ehjä kappale mitattavaksi. Ehjän kappaleen mallinta- minen suunnitteluohjelmistolla tai mallin luonti vaurioituneen kappaleen mallia muokkaa- malla voi myös olla mahdollista. Tässä vaiheessa voidaan myös koneistaa pois vaurioi- tunut alue (esimerkiksi särö tai syöpymä), jotta aineen lisäämiselle on parempi lähtö- kohta.

Varsinaisessa korjausvaiheessa täytyy ensin suunnitella aineen lisäyksen liikeradat.

Tämä vaihe on helpompi, jos vauriokohta on edellisessä vaiheessa koneistettu yksinker- taiseen muotoon. Onnistuneen aineen lisäyksen jälkeen täytyy kappale yleensä vielä viimeistellä koneistamalla. Koneistusradat luodaan ehjän kappaleen mallin pohjalta. Jos

poistettavaa ainetta on reilusti suhteessa käytettävien koneistustyökalujen aineenpois- tonopeuteen, voidaan koneistusratojen suunnittelussa hyödyntää myös aineen lisäyksen jälkeen tuotettua mallia kappaleesta. Näin voidaan välttää konservatiivisten – eli hitaiden – koneistusratojen teko, joita voidaan tarvita, jos yhdellä ohjelmalla on tarkoitus koneis- taa aihioita, joiden muodoissa ja mitoissa on merkittävää vaihtelua. Kappaleen mittaa- misella aineen lisäyksen jälkeen voidaan myös varmistaa, että ainetta on onnistuttu li- säämään riittävästi kaikkiin tarpeellisiin kohtiin.

Koneistamisen jälkeen voidaan kappaleen mittaamisella vielä varmistaa, että korjauksen lopputulos on halutunlainen. Varsinkin uusia korjausprosesseja kehitettäessä on tarpeel- lista tarkastella korjauksen onnistumista myös mikrotasolla, jotta voidaan arvioida kor- jauksen kestävyyttä ja suorituskykyä erityisesti, jos korjauksen on tarkoitus pystyä kan- tamaan kuormaa.

Kuva 4. Aineen lisäystä ja poistoa hyödyntävän korjausprosessin vaiheet. Perustuu läh- teeseen (R. Liu et al. 2017, s. 363).

3. KORJATTAVAT OSAT JA UUSIEN KORJAUS- TEN KEHITYS

3.1 Aineiston haku

Aineistoa on haettu Tampereen yliopiston Andor-hakupalvelusta ja yleisesti internetistä hakukoneella mm. hakusanoilla additive manufacturing, aircraft, aerospace, repair, re- manufacturing, laser cladding sekä niiden vaihtelevilla yhdistelmillä. Tehokkain tapa re- levantin tiedon löytämiseen on ollut seurata hyvien lähteiden viittaussuhteita. Käytännön sovellusesimerkkejä löytyi parhaiten muutamasta kirjasta, ammattilehdistä, tutkimusra- porteista ja konferenssiesityksistä.

Tieteellisessä kirjallisuudessa on luvussa 2 esitetyn mukaisesti käsitelty laajasti ja yksi- tyiskohtaisesti erilaisten ainetta lisäävien menetelmien toimintaperiaatteita ja niillä saa- vutettavia geometrisia tarkkuuksia sekä materiaaliominaisuuksia. Käytännön sovellus- kohteita ilma-alusten korjauksissa ja niiden kehittelyä on käsitelty suppeammin. Useim- min toistuva sovellus tieteellisessä kirjallisuudessa on suihkumoottorin ahtimen tai turbii- nin siipien korjaaminen jollakin suorakerrostusmenetelmällä. Löydetyn aineiston perus- teella sovelluskohteita kehitetään huomattavasti enemmän erilaisissa yrityksissä ja aina- kin Yhdysvaltain asevoimien alaisuuteen kuuluvissa tutkimuslaboratorioissa. Yritykset ja tutkimuslaboratoriot julkaisevat tuloksiaan pääasiassa erilaisissa tutkimusraporteissa, ammattijulkaisuissa ja konferensseissa. Näiden julkaisujen huonoja puolia ovat niiden heikompi saatavuus ja niissä esitettyjen tietojen epätarkkuus, jolle voi olla syynä esimer- kiksi liikesalaisuus tai jopa kansallinen turvallisuus. Vaikka nämä julkaisut eivät ole sa- malla tavalla vertaisarvioituja kuin varsinaiset tiedejulkaisut, ovat ainakin käyttöön hy- väksytyt korjaussovellukset käyneet läpi jonkinlaisen hyväksyntämenettelyn. Esimerkiksi kylmäruiskutuksen prosessia ja laaduntarkastuksen aineenkoetusmenetelmiä hallitsee Yhdysvaltain asevoimien standardi MIL-STD-3021.

Kirjallisuudesta löytyneitä geometrisia korjauksia ja rakennekorjausten kehittämistä esi- tellään luvuissa 3.2 ja 3.3. Lisäksi luvuissa 3.4 ja 3.5 esitellään yksityiskohtaisemmin kaksi esimerkkitapausta.

3.2 Geometriset korjaukset

Valtaosa löydetystä aineistosta koski geometrisia korjauksia eli korjauksia, joissa ensisi- jaisesti pyritään palauttamaan vain kappaleen mitta- ja muototarkkuus. Mitta- ja muoto-

tarkkuus on kriittistä esimerkiksi tiivistyspinnoilla tai virtauksessa olevilla kappaleilla, ku- ten suihkumoottorin ahtimen tai turbiinin siivissä (Yilmaz et al. 2010). Geometrisessa korjauksessa lisätyn aineen ei odoteta kantavan merkittävää kuormaa, eikä korjaukselle anneta painoarvoa korjatun kappaleen lujuutta arvioitaessa, toisin kuin rakennekorjauk- selle (Matthews 2018a, s. 851). Geometrisella korjauksella tyypillisesti korjattavia vauri- oita ovat syöpymät, kulumat ja sellaiset pienet kolhut, joiden korjaaminen olisi lujuuden puolesta mahdollista hiomalla eli pienentämällä lovenmuotolukua. Kappaleen elinikään voidaan kuitenkin geometrisellakin korjauksella vaikuttaa, jos esimerkiksi lisättävä aine kestää korroosiota tai kulutusta paremmin kuin korjattavan kappaleen perusaine.

Kylmäruiskutusta on hyödynnetty valtaosassa geometrisia korjauksia erilaisten korjattu- jen osien, ja erityisesti käyttöön hyväksyttyjen korjausten määrällä mitattuna. Kylmäruis- kutuksen merkittävimmät edut korjaussovelluksissa ovat aineen säilyminen kiinteässä olomuodossa ja lämpövaikutusalueen puute. Vastaavasti sulaminen ja merkittävä läm- pövaikutusalue ovat jauhepeti- ja suorakerrostusmenetelmien suurimmat haitat. (Matt- hews 2018a, s. 847–849.) Sulaminen ja korkeat lämpötilat vaikuttavat erityisesti korke- asti seostettujen metallien mikrorakenteeseen ja siten niiden materiaaliominaisuuksiin.

Jauhepeti- ja suorakerrostusmenetelmien hankalampi materiaaliominaisuuksien hallinta voisi selittää sekä suurempaa tutkimuskiinnostusta että vähäisempää hyväksyttyjen kor- jaussovellusten määrää.

3.2.1 Kylmäruiskutusta hyödyntävät geometriset korjaukset

Ainetta lisäävien menetelmien hyödyntäminen ilma-alusten korjauksissa on aloitettu geometrisista korjauksista, koska niiden on arvioitu olevan vähäriskinen mutta kustan- nustehokas sovellus. Kylmäruiskutus on valikoitunut käytettäväksi menetelmäksi sen tuottamien hyvien materiaaliominaisuuksien vuoksi. Ilmailussa vikojen ja virheiden seu- raukset ovat vakavia, minkä vuoksi ilmailua säädellään tarkasti. Matthews (2018a, s. 849–851) esittelee hyväksyntäprosessin, jolla sekä kylmäruiskutus yleisesti että jokai- nen korjaussovellus on erikseen hyväksytty käyttöön. Hyväksyntäprosessissa määrite- tään millaisia materiaaliominaisuuksia korjausmenetelmällä täytyy voida tuottaa, varmis- tetaan laboratoriokokein menetelmän kyky tuottaa vaadittuja materiaaliominaisuuksia, osoitetaan menetelmän toimivuus todellisille kappaleille käytännön olosuhteissa ja stan- dardisoidaan korjausten toteutustapa.

Valtaosassa kirjallisuudesta löytyneitä käyttöön hyväksyttyjä korjauksia on hyödynnetty kylmäruiskutusta. Yhdysvalloissa toimii alan toimijoita yhdistävä CSAT-ryhmä (engl. cold spray action team), jonka tavoitteena on kylmäruiskutuksen käytön ja kehittämisen edis- täminen, johon se pyrkii mm. konferensseja järjestämällä. CSAT-konferenssiesityksissä

onkin kaikkein laajimmin esitelty käytössä ja kehitteillä olevia ilma-alusten osien korjauk- sia. (CSAT.) Konferenssiesityksissä ja muussa kirjallisuudessa esiteltyjä kylmäruisku- tusta hyödyntäviä geometrisia korjauksia on kerätty taulukkoon 2.

Magnesium on mekaanisilta ominaisuuksiltaan lähestulkoon ihanteellinen aine ilma- alusten erilaisten vaihteistojen koteloiden rakenneaineeksi. Se on lujaa, jäykkää, kevyttä ja sillä on erittäin suuri sisäinen vaimennus, eli värähtelyt vaimenevat magnesiumissa nopeasti. Lisäksi sillä on hyvät valu- ja koneistusominaisuudet, jotka edesauttavat suur- ten ja monimutkaisten komponenttien valmistamista. Magnesiumin huonoin puoli on kui- tenkin sen epäjalous. Se hapettuu erittäin helposti joutuessaan kosketuksiin minkä ta- hansa muun ilma-aluksissa tyypillisen rakenneaineen kanssa, erityisesti kosteissa ja suolaisissa olosuhteissa. (Champagne et al. 2015, s. 344; 2018a, s. 830.)

Champagne et al. (2018a, s. 828–839; 2018b, s. 26–38) esittelevät UH-60- ja SH-60- helikoptereiden magnesiumista valmistettujen vaihteistojen ja öljypohjan korroosio-on- gelmia sekä niiden kylmäruiskutukseen perustuvia geometrisia korjauksia. Vaihteistojen kiinnityskorvakkeet ovat alttiita korroosiolle, koska magnesium on siellä kosketuksissa muihin metalleihin. Kiinnityspultti ja pultin reikä, sekä korvakkeiden ja muun rakenteen Taulukko 2. Kirjallisuudessa esiteltyjä esimerkkejä ilma-alusten osista, joiden geo-

metrisissa korjauksissa voidaan hyödyntää kylmäruiskutusta.

Lähde Osat Materiaali

(Champagne et al. 2018a) (Champagne et al. 2018b)

useita helikopterien vaihteis- toja¹ ja öljypohja¹, lentokoneen pintalevyn kiinnitinreiät¹, hyd- rauliputkia¹, helikopterin mas- ton tuki¹

Mg ZE41A, Al 2024, titaani

(Stoltenhoff & Zimmermann 2012, katso Champagne et al.

2018a, s. 829)

helikopterin laskuteline³, lento-

koneen potkurin lapa³ Al 2224, Al 6061, Al 7075

(Matthews 2018a)

helikopterin vaihteistot¹, lento- koneen jarrusatula¹, ilmatank- kauspuomi¹, pyörän vanne¹, las- kutelineen osia^1,2, polttoaine- putkia¹, letkuliitin¹, tuulilasin ja kuomun kehykset²

2000- ja 7000-sarjan alu- miinit, titaani, teräs

(Groenewegen 2020) lentokoneiden erilaisten vaih- teistojen koteloita¹

Mg ZE41A, Mg EZ33A, Mg AZ92A 1) Korjaus on hyväksytty käyttöön.

2) Korjaus on vasta tutkimusvaiheessa tai sen hyväksyntä on ollut julkaisuhetkellä kesken.

3) Yksi on hyväksytty ja toisen hyväksyntä on ollut julkaisuhetkellä kesken.

vastinpinnat muodostavat otollisia paikkoja galvaaniselle ja rakokorroosiolle. Kokeiden perusteella on todettu alumiinin, ainakin laatujen 5056 ja 6061, sopivan magnesiumista ZE41A valmistettujen komponenttien korjaamiseen. Pelkän geometrisen korjauksen li- säksi alumiinin kylmäruiskutus voi tehdä magnesiumkomponentista jopa alkuperäistä paremman, koska alumiinin korroosionkesto on magnesiumia parempi. Korjauskyvyllä on merkittävä vaikutus helikoptereiden operointiin ja operoinnin kustannuksiin. Monille magnesiumkomponenttien vaurioille ei ole aiemmin ollut korjausmenetelmää, ja uusi he- likopterin vaihteiston kotelo voi maksaa jopa satoja tuhansia dollareita ja niiden toimitus- ajat ovat pitkiä (Champagne et al. 2018a, s. 835–836). Kuvassa 5 on esimerkki korjatusta vaihteiston korvakkeesta.

Champagne et al. (2018a, s. 840; 2018b, s. 43–46) esittelevät myös lentokoneen hyd- rauliputkien ja helikopterin maston tuen korjauksia. Kuvassa 6 on B-1-pommikoneen hydrauliputkia, joihin tulee hankaumia käytön aikana. Titaaniset putket voidaan korjata kylmäruiskuttamalla niiden pintaan lisää titaania. Toimenpide voidaan tehdä myös en- naltaehkäisevänä huoltona, eli ruiskuttamalla kulumattoman putken pintaan kerros titaa- nia, joka kuluu pois käytössä. Käsittely voidaan uusia aina tarvittaessa, jolloin putken seinämän alkuperäinen ainevahvuus ei pääse ohenemaan. Korjauksella on pystytty pa- rantamaan lentokoneiden käytettävyyttä ja pienentämään huoltotyön määrää (Cham- pagne et al. 2018a, s. 840). Korjaus on hyväksytty laajamittaiseen käyttöön 2018 (Groenewegen 2020). B-1-pommikoneen pintalevyjen kiinnitinreikien korjaus esitellään tarkemmin esimerkkitapauksena luvussa 3.4.

Kuva 5. UH-60-helikopterin päävaihteiston korvakkeen korjaus kylmäruiskuttamalla.

Vasemmalla korvake ennen korjausta. Korvakkeessa maali ja muut pinnoitteet ovat hilseilleet ja perusaine on päässyt syöpymään. Oikealla kylmäruiskutta- malla korjattu korvake. (Champagne & Barnett 2012, katso Champagne et al.

2015 s. 346.)

Helikopterin masto on osa, joka yhdistää pääroottorin helikopterin muuhun rakentee- seen. Yksinkertaisimmillaan se on sama kuin pääroottorin akseli, jolloin masto pyörii ja välittää sekä roottorin pyörittämiseen tarvittavan vääntömomentin että roottorin tuotta- man nosto- ja työntövoiman. Masto voi myös olla staattinen, jolloin se välittää nosto- ja työntövoiman ja sen sisällä kulkee erillinen vetoakseli, joka pyörittää roottoria. Nosto- ja työntövoima voidaan välittää mastosta helikopterin runkorakenteeseen joko päävaihteis- ton tai erillisen maston tuen kautta. Leyman & Champagne (2009; Champagne et al.

2018b, s. 45–46) raportoivat AH-64-helikopterin maston tuelle kehitetystä korjauspro- sessista, jossa kylmäruiskuttamalla voidaan korjata alumiinisten tukien mekaanisia ja korroosiovaurioita. Korjauksessa on käytetty käsikäyttöistä matalapainekylmäruiskutus- laitteistoa ja kokeiltu kolmea eri jauhetta. Puhtaan alumiinijauheen lisäksi korjaukseen kokeiltiin kahta seosta, joista ensimmäisessä (A050) oli 70 til-% alumiinia ja 30 til-% alu- miinioksidia. Toisen seoksen (A027) koostumukseksi ilmoitetaan 65 til-% alumiinia, 25 til-% alumiinioksidia ja 15 til-% sinkkiä, mutta siinä on selvä virhe (yht. 105 til-%).

Seosaineilla parannetaan lisätyn ainekerroksen kovuutta ja kulutuskestävyyttä. Ku- vassa 7 on yleiskuva maston tuesta ja esimerkki tuen lukkorenkaan uran korjauksesta.

Korjaus on hyväksytty käyttöön 2018 (Champagne 2018c).

Stoltenhoff & Zimmermann (2012, katso Champagne et al. 2018a, s. 829) ovat käyttä- neet alumiiniseoksia 2224, 6061 ja 7075 CH-53-helikopterin laskutelineen ja C-160-len- tokoneen potkurin lapojen korjauksiin. Näistä yksi on alkuperäisen lähteen julkaisuhet- kellä ollut jo hyväksytty ja käytössä, ja toisen hyväksyntäprosessi on ollut kesken, mutta tarkempaa erittelyä ei ole annettu.

Australian puolustusvoimissa kylmäruiskutusta on sovellettu helikoptereiden vaihteisto- jen korroosiovaurioiden lisäksi F/A-18-hävittäjän jarrusatulaan, ilmatankkauspuomiin, pyörän vanteeseen, laskutelineen osiin, polttoaineputkiin, letkuliittimen korjaukseen sekä Kuva 6. B-1-pommikoneen käytössä hankautuvia hydrauliputkia. Vasemmalla laskute-

lineissä olevia putkia ja oikealla siiven spoilerin hydrauliputki. (Champagne et al. 2015, s. 351.)

tuulilasin ja kuomun kehyksiin. Polttoaineputket ovat titaania ja lentokoneiden laskuteli- neiden korkeimmin kuormitetut osat terästä. Alumiiniosien korjauksiin on käytetty 2000- ja 7000-sarjan alumiinijauheita. Teräsosia ja kuomun osia lukuun ottamatta korjaukset on hyväksytty käyttöön. (Matthews 2018a, s. 852–856.)

Yhdysvaltain ilmavoimissa on vuonna 2019 hyväksytty käyttöön kylmäruiskutukseen pe- rustuvat korjaukset F-16-hävittäjän apulaitevaihteistolle, A-10-maataistelukoneen CSD:lle (engl. constant speed drive, vakionopeusvaihteisto, jonka avulla vaihtovirta- generaattori tuottaa vakiotaajuuksista vaihtovirtaa moottorin käyntinopeudesta riippu- matta) ja TF33-suihkumoottorin apulaitevaihteistolle. Osat on valmistettu magnesium- seoksista ZE41A, EZ33A ja AZ92A. Vaihteistojen korjaamiseen käytetään alumiini- seosta 6061 sekä puhtaasta alumiinista ja alumiinioksidista koostuvaa jauheseosta.

Vaihteistoista korjataan liitospintojen kitkaväsymisvaurioita ja muita mekaanisia vauri- oita. (Groenewegen 2020.)

Kuva 7. AH-64-helikopterin maston tuki (engl. mast support). Yläkuvassa yleiskuva kappaleesta. Vasemmassa kuvassa vaurioitunut kohta lukkorengasurasta on poistettu koneistamalla. Oikeassa kuvassa koneistettu alue on täytetty kyl- märuiskuttamalla ja koneistettu alkuperäistä vastaavaksi. (Champagne et al.

2015, s. 353.)

3.2.2 Jauhepeti- ja suorakerrostusmenetelmiä hyödyntävät geometriset korjaukset

Tieteellisessä kirjallisuudessa eräs yleisimmistä esimerkeistä ainetta lisäävien menetel- mien soveltamisesta lentokoneiden ja ilma-alusten korjauksiin on laseriin perustuvan suorakerrostuksen soveltaminen suihkumoottorin ahtimen tai turbiinin siipien korjaami- seen. Moottorien, erityisesti niiden turbiinien, siivet ovat varsin korkean teknologian kom- ponentteja, joita valmistetaan kalliista materiaaleista ja monimutkaisin menetelmin. Hin- tansa ja toimitusaikansa vuoksi ne ovat houkuttelevia komponentteja korjattavaksi. Ne ovat myös sopivan kokoisia mahtuakseen tavanomaisiin työstökeskuksiin. Lisäksi suih- kumoottorien siivet ovat alttiita kulumiselle ja vaurioille hiekkapölyn tai suuremman epä- puhtauden tai vieraan esineen joutuessa moottoriin, joten siipien korjaamiselle olisi melko säännöllistä tarvetta. Moottorin siipiin keskittyvissä julkaisuissa tyypillisesti tutki- taan suorakerrostuksen sopivuutta kuumalujille nikkelipohjaisille seoksille ja niiden mik- rorakennetta tai kehitetään mahdollisimman pitkälle automatisoitua prosessia siipien kor- jaamiseksi. Yhden lähteen mukaan (Gasser et al. 2010) moottorien siipiä kuitenkin kor- jataan suorakerrostuksella jo ainakin yhdessä lentoyhtiössä. Kirjallisuudesta löytyneitä esimerkkejä jauhepeti- ja suorakerrostusmenetelmiä hyödyntävistä ilma-alusten kompo- nenttien korjauksista on kerätty taulukkoon 3. Muutaman sovelluksen kerrotaan olevan käytössä, mutta pääosin ne ovat vasta tutkimusvaiheessa.

Q. Liu et al. (2013 ja 2016, katso 2017) ovat kehittäneet kahta suorakerrostukseen pe- rustuvaa korjausmenetelmää Australian kuninkaallisten ilmavoimien käyttämään kalus- toon. F/A-18-hävittäjän sivuperäsimen haarukan kuluman korjaus on hyväksytty käyt- töön ja esitellään tarkemmin esimerkkitapauksena luvussa 3.5. C-130J-kuljetuskoneen laskutelineessä on laskutelineen sivuttais- ja pitkittäiskuormia välittävä korvakeosa, jota joudutaan vaihtamaan korroosion vuoksi. Korvake on valmistettu teräksestä AISI 4140, ja korroosiota esiintyy korvakkeessa olevissa rei’issä. Korjaamiseen on käytetty ruostu- mattomista teräksistä 17-4 PH ja AISI 420 koostuvaa jauheseosta, minkä odotetaan pa- rantavan osan korroosionkestoa korjauksen jälkeen. Korjausta varten piti myös kehittää oma suutin, jolla lasersäde ja jauheensyöttö voitiin ohjata korjattavan reiän sisäpinnalle.

Korjausta ei ole ainakaan julkaisuhetkellä hyväksytty laajamittaiseen käyttöön.

Gasser et al. (2010) esittelevät suihkumoottorien komponenttien korjauksia, joista osa on jo kaupallisessa käytössä. Heidän mukaansa Alankomaiden kansallinen lentoyhtiö KLM käyttää suorakerrostustekniikkaa suihkumoottorin roottorin sokkelotiivisteen (teräs 17-4 PH), moottorin siipien ja koteloiden korjauksiin. Rolls-Royce Deutschland on myös valtuuttanut laserteknologian tutkimuslaitos Fraunhofer ILT:n tekemään 15 eri kohteen

korjauksia, joista kaksi ovat BR715-suihkumoottorin korkeapaineturbiinin kotelon kor- vake ja korkeapaineahtimen roottorissa olevat urat. Turbiinin kotelo ja sen korjaamiseen käytettävä jauhe ovat nikkelipohjaisia superseoksia Nimonic PE16 ja Inconel 625. Ahti- men osat ja käytettävä jauhe ovat titaaniseoksia Ti-6Al-4V ja Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo.

Muista lähteistä poiketen Gasser et al. esittelevät myös jauhepetimenetelmään perustu- vaa korjausta, jossa ei kuitenkaan ole tarkoituksena korjata jotakin osajärjestelmää, esi- merkiksi suihkumoottoria, vain valmistamalla siihen uusia komponentteja vikaantuneiden tilalle. Heidän esittelemässään menetelmässä tarkoituksena on korjata yksittäinen kom- ponentti, tässä tapauksessa PW4000-moottorin turbiinin suuttimen siipi, valmistamalla siihen jauhepetimenetelmällä paikkalappu, joka hitsataan siivestä poistetun vioittuneen Taulukko 3. Kirjallisuudessa esiteltyjä esimerkkejä ilma-alusten osista, joiden geo-

metrisissa korjauksissa voidaan hyödyntää jauhepeti- ja suorakerros- tusmenetelmiä.

Lähde Osat Materiaali Teknologia³

(Q. Liu et al. 2013, katso Q. Liu et al. 2017)

sivuperäsimen ohjaukseen

kuuluva haarukka¹ teräs 17-4 PH LAD, jauhe

(Gasser et al. 2010)

turbiinin kotelon korvake², ahtimen roottorin urat², roottorin sokkelotiiviste¹, moottorin kotelot¹, mootto- rin siivet¹, turbiinin suutti- men siiven paikkalappu²

nikkeliseokset Nimonic PE16, Inconel

625, MAR-M247, Ti-6Al-4V, Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo,

teräs 17-4 PH

SLM, LMD, jauhe

(Q. Liu et al. 2016, katso Q. Liu et al. 2017)

lentokoneen laskutelineen rakenneosa²

AISI 4140, 17-4 PH, AISI

420 LAD, jauhe

(Bi & Gasser 2011) turbiinin siiven sokkelotii- viste²

nikkelipohjainen super- seos

LAAM, jauhe

(Qi et al. 2010) ahtimen siipi² Inconel 718 LNSM, jauhe

(Mudge & Wald 2007)

suihkumoottorin laakeri- pesä², ahtimen sokkelotii- viste²

Ti-6Al-4V, Inconel 718 LENS, jauhe

1) Korjaus on hyväksytty käyttöön.

2) Korjaus on vasta tutkimusvaiheessa tai sen hyväksyntä on ollut julkaisuhetkellä kesken tai hyväksynnän tila ei käy yksiselitteisesti ilmi.

3) Eri tahot käyttävät hyvin samankaltaisista ainetta lisäävistä menetelmistä useita erilaisia nimityksiä, joista jotkin ovat tavaramerkkejä. LAD, LMD, LAAM, LNSM ja LENS ovat kaikki lase- ria ja metallijauhetta hyödyntäviä suorakerrostusmenetelmiä. SLM on laseria hyödyntävä jau- hepetimenetelmä.

alueen tilalle. Kuva kyseisestä korjauksesta on kuvassa 8. Julkaisuhetkellä ongelmana on ollut, että nikkelipohjaisesta superseoksesta MAR-M247 valmistetussa paikkalapussa on ollut valmistuksen jäljiltä liian suuria säröjä. Säröjen poistamiseksi on suunniteltu käy- tettävän kappaleen pinnan uudelleensulatusta ja isostaattista kuumapuristusta (engl. hot isostatic pressing, HIP).

Bi & Gasser (2011) tutkivat nikkelipohjaisesta superseoksesta valmistetun turbiinin sii- ven pään sokkelotiivisteen korjaamista. Korkean alumiini- ja titaanipitoisuuden nikkeli- pohjaisesta seoksesta valmistetun kappaleen korjaaminen on hankalaa, koska sulan ai- neen jäähtymisestä aiheutuvat mikrorakenteen muutokset ja jäännösjännitykset aiheut- tavat herkästi kappaleeseen mikrosäröjä. Bin & Gasserin menetelmässä laserin muo- dostaman sulan lämpötilaa seurataan, ja laserin tehoa säädetään lämpötilan pitämiseksi vakiona. Laserin tehoa säätelemällä aineen lisäys onnistui ilman säröjä ja lisätyn aineen kovuus ja mikrorakenne olivat suotuisia.

Qi et al. (2010) kehittämä menetelmä säätää laserin tehon lisäksi työstörataa sekä tuo- tettavan ainekerroksen leveyttä ja paksuutta. Menetelmällä onnistuu muun muassa In- conel 718:sta valmistetun ahtimen siiven aineen lisäys hyvillä materiaaliominaisuuksilla sekä mitta- ja muototarkkuudella. Korjattu siipi on kuvassa 9.

Mudgen & Waldin (2007) edustama kaupallinen toimija on korjannut muun muassa Ti-6Al-4V:sta valmistetun suihkumoottorin laakeripesän ja Inconel 718:sta valmistetun suihkumoottorin ahtimen sokkelotiivisteen. Molemmissa tapauksissa korjauksen hinta on noin 50 % uuden osan hinnasta ja korjaaminen nopeampaa kuin uuden osan hankkimi- nen.

Kuva 8. Jauhepetimenetelmällä valmistettu suihkumoottorin turbiinin suuttimen siiven paikkalappu ja paikka hitsattuna siipeen (Gasser et al. 2010).

3.3 Rakennekorjausten kehitys

Aiemmin luvussa 3.2 rakennekorjaukset on määritelty korjauksiksi, joissa lisätty aine kantaa merkittävää kuormaa. Tämän määritelmän mukaisia esimerkkejä käytössä ole- vista korjauksista ei tämän katsauksen puitteissa löytynyt kirjallisuudesta ollenkaan, vaan ainetta lisäävin menetelmin tehtävät rakennekorjaukset ovat vasta tutkimus- ja ke- hitysvaiheessa.

Jones et al. (2011) ovat osoittaneet alumiiniseoksesta 7075 kylmäruiskuttamalla valmis- tettujen vahvikkeiden kyvyn kantaa kuormaa ja vaikuttaa alumiiniseoksista 2024 ja 7050 valmistettujen alkusäröllisten väsytyskoekappaleiden särönkasvuun. Myöhemmin Jones et al. (2014) ovat tutkineet kylmäruiskutetun vahvikkeen vaikutusta tyypillistä lentoko- neen pintalevyn limiliitosta mallintavan koekappaleen väsymiseen. Uppokantaniittien päälle ruiskutettu 0,3 mm paksu vahvike murtui vasta sen jälkeen, kun perusaineessa olevat niittien rei’istä alkaneet säröt yhdistyivät (kuva 10). Myös kupukantaniitin päälle ruiskutettu vahvike säilyi ehjänä, joskin itse niitti ei ollut kyseisessä kokeessa kuormitettu.

Vahvikkeen huono puoli on se, että se piilottaa perusaineessa tapahtuvan säröytymisen varsin pitkään. Vahvikkeen säilyminen ehjänä on osoitus siitä, että niittiliitosten pinnoit- taminen kylmäruiskuttamalla saattaisi olla yksi tapa suojata liitosta korroosiolta. Vaiku- tusta korroosionkestoon ei kuitenkaan ole kyseisessä tutkimuksessa selvitetty.

Perinteinen tapa korjata ilma-alusten rakenteiden pinta- ja pistekorroosiota on poistaa korroosio hiomalla ja ohutlevyrakenteen tapauksessa niitata vaurioituneeseen kohtaan vahvike. Vahvikekorjauksen huonoja puoli ovat perusaineen mahdollisen säröytymisen peittäminen, uusien reikien poraaminen, niiden aiheuttamat jännityskeskittymät ja kor- jauksen mahdollinen liiallinen jäykkyys sekä korroosion mahdollisuus kaikissa levyjen ja Kuva 9. Inconel 718:sta valmistetun ahtimen siiven korjaus adaptiivisella työstöratojen

ohjauksella varustetulla suorakerrostusmenetelmällä (Qi et al. 2010).

niittien väliin jäävissä raoissa. (Jones et al. 2014.) Jones et al. (2014) tutkivat myös mah- dollisuutta korvata perinteiset niitattavat vahvikkeet suoraan kappaleen pintaan kyl- märuiskutettavilla vahvikkeilla. Koekappaleet simuloivat pelkällä hiomisella sekä hio- malla ja kylmäruiskuttamalla tehtyjä korroosiokorjauksia. Kylmäruiskuttamalla korjattujen kappaleiden eliniät olivat 1–3 kertaluokkaa suurempia kuin vain hiottujen kappaleiden eliniät. Kokeessa ei ollut mukana niittaamalla tehtyä korjausta.

Jones et al. (2014; Matthews et al. 2018b, s. 920–927) ovat myös suorittaneet väsytys- kokeen käytöstä poistetulle F/A-18-hävittäjän keskirungolle, johon tehtiin kylmäruiskut- tamalla 12 vahviketta, osa kiinnittimien päälle. Keskirunko on F/A-18-hävittäjässä se run- gon osa, johon siivet kiinnittyvät. Runkoa kuormitettiin hävittäjäkäyttöä edustavalla siiven tyven taivutusmomenttispektrillä yhteensä 18 500 simuloitua lentotuntia, kunnes rungon kolme laipiota olivat pettäneet. 18 500 lentotuntia on yli kolme kertaa F/A-18:n suunnit- teluelinikä (6 000 h). Kokeen päätteeksi kaikki kylmäruiskutetut vahvikkeet olivat edel- leen ehjiä ja hyvin perusaineeseen kiinnittyneitä. Eräässä vahvikkeessa suurin spekt- rissä esiintynyt kuormitus aiheutti 250 MPa jännityksen, ja aiemmissa tutkimuksissa on todettu vahvikkeiden kestävän 200 MPa syklisen jännitysamplitudin väsytyskokeessa.

Kuvassa 11 on F/A-18:n keskirungon väsytyskoejärjestely.

Kuva 10. Limiliitosta mallintavaan koekappaleeseen kylmäruiskuttamalla tehty 0,3 mm paksuinen vahvike. Yläkuvassa lähikuva uppokantaniittien päälle tehdystä vah- vikkeesta. Niittien paikat erottuvat vahvikkeen läpi, joten vahvikkeen voi pää- tellä olevan varsin ohut. Alakuvassa murtunut vahvike. Tutkimuksen mukaan vahvike murtuu vasta perusaineen murtumisen jälkeen. (Jones et al. 2014.)

Australian kuninkaallisten ilmavoimien käytössä olevien C-130J-kuljetuskoneiden ja AP-3C-merivalvontakoneiden siipien yläpintojen pintalevyt (puristuskuormitettuja) ovat 7075-alumiinilevystä koneistettuja integraalisesti jäykistettyjä levyjä. Jäykisteissä esiin- tyy jännityskorroosiota, joka aiheuttaa niihin murtumia (kuva 12) ja siten alentaa pintale- vyjen lommahduskuormaa eli kuormankantokykyä. Jones et al. (2017; 2018a) ovat teh- neet alustavia tutkimuksia kylmäruiskutuksen soveltamisesta pintalevyjen jäykisteiden korjaamiseen. Sekä elementtimallilla tehdyn simuloinnin että oikeasta pintalevystä lei- kattujen koekappaleiden perusteella 0,2 mm paksuinen 7075-alumiinista kylmäruisku- tettu vahvike jänntyskorroosiomurtuman molemmin puolin riittää palauttamaan raken- teen alkuperäisen kuormankantokyvyn.

Kuva 11. F/A-18:n keskirungon väsytyskoejärjestely. Rungon vasen kylki on alaspäin ja pohja oikealle. Kuvan oikeassa ja vasemmassa laidassa ovat hydraulisylinterit, jotka kuvan ylä- ja alareunassa olevien palkkien kautta tuottavat siiven kiinni- tyskohtiin haluttavan taivutusmomenttispektrin. (Molent et al. 2011.)

Kuva 12. Jännityskorroosion aiheuttama särö lentokoneen siiven pintalevyn jäykis- teessä. Särö alkaa tyypillisesti kiinnittimen reiästä. (Jones et al. 2018a, s. 868.)

LAU-7 on ilmataisteluohjusten laukaisukisko, jota käytetään mm. F/A-18-hävittäjässä.

Kun hävittäjällä lennetään aseistettuna, aiheuttaa koneen liikehdintä ohjukseen kohdis- tuvia aerodynaamisia ja inertiakuormia. Kuormitus rasittaa laukaisukiskoa, ja sen seu- rauksena kiskoon syntyy ajan myötä väsymissäröjä (kuva 13). Heller et al. (2014) ovat kehittäneet kiskolle muodon optimointiin perustuvan korjauksen, jossa kiskon sisäkul- man säde koneistetaan suuremmaksi, jotta jännityskeskittymä pienenee (kuva 14).

Vuonna 2013 tehtyjen koelentojen perusteella korjauksen käyttöönotto Australian kunin- kaallisissa ilmavoimissa on vaikuttanut todennäköiseltä. Jones et al. (2018b) ovat esittä- neet korjauksen kehittämistä lisäämällä kiskon ulkopintaan kylmäruiskuttamalla tehtävä vahvike (kuva 14). Elementtimallin perusteella vahvike pienentäisi edelleen sisäkulman jännityshuippua 29 % verrattuna pelkkään kulman koneistamiseen. Korjauksella olisi teoriassa mahdollista jopa kolminkertaistaa laukaisukiskon elinikä. Fyysisiä kokeita ei kuitenkaan ole tehty eikä aineen lisäyksen toimivuutta demonstroitu. Ehdotus on esi- merkki korjauksesta, jossa tavoitteena ei ole vain palauttaa osan alkuperäinen suoritus- kyky, vaan tehdä siitä merkittävästi parempi.

Kaikki edellä esitetyt esimerkit tutkimuksista ainetta lisäävien menetelmien sopivuudesta rakennekorjauksiin ovat peräisin Australiasta, missä Australian puolustusvoimat, teolli- suus, yliopistot ja tutkimuslaitokset tekevät asian parissa yhteistyötä. Tutkimusten kehi- tyskulku havainnollistaa myös hyvin ilmailuteollisuudessa tyypillistä tapaa edetä materi- aaliarvojen tosittamisesta pienten rakenne-elementtien kautta isompiin kokonaisuuksiin (Saarela et al. 2007, s. 392). Lähestymistavasta käytetään englanniksi nimitystä building block approach. Tutkimusten ja osapuolten yhteistyön tavoitteena on saada hyväksyttyä käyttöön ainetta lisäävin menetelmin tehdyt rakennekorjaukset. (Matthews et al. 2018b, s. 925–927.) Tutkimuksen keskiössä on tähän asti ollut kylmäruiskutus. Aineen sulami- seen perustuvien jauhepeti- ja suorakerrostusmenetelmien ongelmana on ollut korkean Kuva 13. Vasemmalla laukaisukiskon poikkileikkaus ja siihen kiinnitetyn ohjuksen ripus-

tuskorvake. Oikealla kiskoon syntyvän väsymissärön paikka. (Heller et al.

2014.)

lämpötilan vaikutus aineen väsymisominaisuuksiin, mutta menetelmien kehittyessä voi niidenkin käyttö olla tulevaisuudessa mahdollista (Matthews 2018a, s. 859).

3.4 Esimerkkitapaus 1: Lentokoneen pintalevyn kiinnitinreiät

Champagne et al. (2018b, s. 39–43) esittelevät Yhdysvaltain ilmavoimien B-1-pommiko- neeseen kehitettyä pintalevyjen kiinnitinreikien korjausta. Koneen nokassa on laitetila, jonka luukkujen kiinnitinreiät kuluvat aina luukkuja irrotettaessa ja asennettaessa sekä lennonaikaisten kuormitusten vaikutuksesta. Luukut ovat alumiinia 2024-T6 ja kiinnitys- ruuvit terästä. Luukkujen sijainti on esitetty kuvassa 15.

Luukuille kehitettiin korjausmenetelmä, jossa ruuvinreikiin lisätään ainetta 6061-alumii- nijauhetta kylmäruiskuttamalla, jonka jälkeen ne koneistetaan takaisin oikeisiin mittoihin.

Kuvassa 16 esitetään korjauksen eri vaiheet.

Kuva 14. Modifioitu laukaisukiskon poikkileikkaus. Kiskon sisäkulma on koneistettu ja merkinnällä SPD on osoitettu kiskon ulkopintaan kylmäruiskuttamalla lisättävä aine. Muokattu lähteestä (Jones et al. 2018b, s. 936).

Kuva 15. Etulaitetilan luukkujen sijainti B-1-pommikoneen nokalla (Champagne et al.

2015, s. 348).

Ruuviliitosta mallintaville koekappaleille tehtyjen lujuus- ja väsytyskokeiden jälkeen en- simmäinen korjattu kappale on asennettu lentokoneeseen elokuussa 2012 (Champagne et al. 2018b, s. 42), ja se on ollut edelleen käytössä vuonna 2018 (Champagne 2018c).

Korjaus on myös hyväksytty laajamittaiseen käyttöön 2018 (Groenewegen 2020).

Pintalevyn on todettu sopivan kylmäruiskutuksella korjattavaksi, koska ainetta tarvitsee lisätä hyvin vähän eikä perusainetta poisteta ollenkaan, korjaukseen kohdistuu pääasi- assa puristavia kuormia, lisättävällä aineella on sama lämpölaajenemiskerroin kuin pe- rusaineella, korjaus voidaan tehdä useita kertoja perusainetta vahingoittamatta ja kor- jaus on nopea suorittaa (Champagne et al. 2018b, s. 41–42). Uuden pintalevyn hinnan on kerrottu olevan 225 000 dollaria. Korjauksen hyväksynnällä ja laajamittaisella käytöllä on arvioitu voitavan säästää jopa 9,6 miljoonaa dollaria vuosittain B-1-laivaston kunnos- sapidossa. (Champagne et al. 2015, s.350.)

3.5 Esimerkkitapaus 2: Hävittäjän sivuperäsimen haarukka

Q. Liu et al. (2013, katso Q. Liu et al. 2017) ovat kehittäneet korjausmenetelmän F/A-18- hävittäjän sivuperäsimeen kuuluvan haarukan korjaamiseksi. Australian kuninkaallisten ilmavoimien tavallisessa käytössä teräksestä 17-4 PH valmistettu haarukka kuluu niin, että se on vaihdettava. Haarukka ei ole lentokoneen osaksi kovin kallis, vain 300 Yhdys- valtain dollaria, mutta sen toimitusaika voi olla pitkä, jopa 18 kuukautta. Osa sopii hyvin korjattavaksi, koska se on geometrisesti melko yksinkertainen, valmistettu helposti hit- sattavasta materiaalista – jolloin myös suorakerrostusmenetelmät todennäköisesti toimi- vat – ja pitkän toimitusajan vuoksi korjaamisella olisi suuri vaikutus hävittäjäkaluston käy- tettävyyteen.

Kuva 16. Lentokoneen pintalevyn kuluneen kiinnitinreiän korjausvaiheet.

(a) Kulunut kiinnitinreikä.

(b) Kiinnitinreikä kylmäruiskutuksen jälkeen.

(c) Valmiiksi koneistettu kiinnitinreikä.

Muokattu lähteestä (Champagne et al. 2018b, s. 40–41).

Kehitetyssä korjausprosessissa haarukan kuluneet pinnat ensin koneistetaan ja hiekka- puhalletaan, ainetta lisätään ja lopuksi haarukka viimeistellään koneistamalla. Korjauk- sen päävaiheet esitetään kuvassa 17. Aineen lisäyksessä Q. Liu et al. (2017) käyttivät laseria ja jauhetta hyödyntävää suorakerrostusmenetelmää. Jauhe oli sekoitus kahdesta teräslaadusta, 60 % AISI 420 ja 40 % AISI 316 (Walker et al. 2017). Suorakerrostuslait- teisto oli kiinnitetty teollisuusrobottiin, ja jauheensyöttökaasuna käytettiin heliumia, joka toimi samalla suojakaasuna estäen sulan aineen hapettumisen.

Korjauksen hyväksymiseksi perusaineeseen ei saanut tulla vaurioita, lisätyn aineen ko- vuuden piti vastata perusainetta, lisätyn aineen täytyi kiinnittyä lujasti perusaineeseen, lisätyssä aineessa ei saanut esiintyä säröjä, koneistettavuuden tuli olla hyvä ja korjauk- sen tuli olla mahdollista silloisilla kaupallisesti saatavissa olevilla laitteilla. Lisätyn aineen kiinnittyminen testattiin ASTM-standardin C633-01 mukaan. Korjaus läpäisi sen sekä muut vaatimukset, ja on hyväksytty Australian kuninkaallisten ilmavoimien käyttöön. Kor- jaus on esimerkki tapauksesta, jossa korjaamisen pääasiallisena syynä on jokin muu kuin kustannussäästö. Haarukan korjaamisen hinta oli vastaava kuin uuden haarukan hankintahinta, mutta korjausaika oli vain muutama päivä verrattuna uuden haarukan 18 kuukauden toimitusaikaan. (Q. Liu et al. 2017.)

Kuva 17. Haarukan korjauksen päävaiheet.

(a) Kulunut haarukka.

(b) Haarukka aineen lisäyksen jälkeen.

(c) Valmiiksi koneistettu haarukka.

Muokattu lähteestä (Q. Liu et al. 2017).

4. YHTEENVETO

Työn tarkoituksena on ollut selvittää ainetta lisäävien valmistusmenetelmien käyttöä len- tokoneiden ja muiden ilma-alusten korjauksissa. Työ on rajattu käsittelemään metallisten komponenttien korjaamista ainetta lisäävillä menetelmillä eli lisäämällä ainetta suoraan kuluneen tai rikkoutuneen kappaleen pintaan. Aihetta on selvitetty kolmen tutkimuskysy- myksen avulla, joihin vastataan seuraavaksi.

1. Mitä komponentteja ainetta lisäävin menetelmin on mahdollista korjata?

Käyttöön hyväksytyt korjaukset ovat geometrisia korjauksia eli korjauksia, joissa lisätty aine ei kanna merkittävää kuormaa, vaan tarkoituksena on vain palauttaa osan alkupe- räiset mitat ja muodot. Esimerkiksi erilaiset tiivistys-, kiinnitys- ja kulutuspinnat. Erityisesti kiinnostuksen kohteena ovat olleet helikoptereiden ja lentokoneiden magnesiumseok- sista valmistetut vaihteistot, koska ne ovat arvokkaita ja pitkän toimitusajan omaavia komponentteja, joissa kuitenkin on magnesiumin materiaaliominaisuuksien vuoksi paljon korroosio-ongelmia. Lisäksi korjataan alumiini- ja titaaniseoksista valmistettuja kom- ponentteja, kuten lentokoneen pintalevyjä sekä hydrauli- ja polttoaineputkia. Yksi hyväk- sytty korjaussovellus koski teräksistä lentokoneen sivuperäsimeen kuuluvaa haarukkaa.

Magnesium- ja alumiinikomponenttien korjauksissa lisättävä aine on tyypillisesti alumii- niseosta tai puhtaan alumiinin ja alumiinioksidin seosta. Muista aineista valmistettuja komponentteja tyypillisesti korjataan perusainetta vastaavalla aineella.

Suihkumoottorin osien, sekä muiden teräksistä tai kuumalujista nikkelipohjaisista seok- sista valmistettujen komponenttien korjaukset ovat pääosin vasta kehitysvaiheessa tai tulossa käyttöön, mutta muutaman sovelluksen, kuten suihkumoottorin teräksisen sok- kelotiivisteen korjauksen, kerrotaan olevan käytössä. Haasteena on riittävän hyvien ma- teriaaliominaisuuksien tuottaminen.

Samoin rakennekorjaukset eli merkittävää kuormaa kantavat korjaukset ovat kehitysvai- heessa, ja niiden käyttöön saamiseksi kerätään riittävän laajaa kokeellista tietopohjaa.

Tutkitut sovelluskohteet ovat olleet lentokoneen siiven ja rungon rakenteita sekä ilma- taisteluohjusten laukaisukisko. Alumiini on ollut rakennekorjausten kehityksessä keskei- sin materiaali.

2. Mitä menetelmiä korjauksiin voidaan käyttää?

Valtaosassa käyttöön hyväksyttyjä geometrisia korjauksia hyödynnetään kylmäruisku- tusta. Kylmäruiskutuksen merkittävin etu on se, ettei aine sula prosessin aikana, jolloin sillä tuotetut aineominaisuudet ovat helpommin hallittavissa. Kylmäruiskutus on myös

rakennekorjauksissa ollut tutkimuksen keskiössä. Laseriin perustuvaa suorakerrostusta on sovellettu teräksistä ja nikkelipohjaisista seoksista valmistettujen komponenttien geo- metriseen korjaamiseen, joista pari teräskomponentin korjausta on hyväksytty käyttöön.

Jauhepetimenetelmä on suoraan komponenttien korjauksiin heikosti soveltuva mene- telmä, mutta yksi sovellus löytyi, jossa jauhepetimenetelmällä valmistetaan paikkalappu turbiinin suuttimen siipeen. Sovelluksessa oli kuitenkin merkittäviä tuotetun aineen laa- tuun liittyviä ongelmia.

3. Mitä vaikutuksia ja hyötyjä ainetta lisäävien menetelmien käytöllä voidaan saa- vuttaa?

Keskeiset esille tulleet hyödyt ainetta lisäävien menetelmien käytössä olivat kustannus- ja aikasäästöt. Joitakin komponentteja ei ole aiemmin voitu korjata lainkaan, jolloin uu- den korjausmenetelmän tuoma säästö voi olla merkittävä, jos kyseessä on kallis osa.

Voi myös olla, että jollakin komponentilla on pitkä toimitusaika tai sitä ei ole saatavilla ollenkaan. Korjaus voi myös tehdä komponentista alkuperäistä paremman, esimerkiksi parantamalla sen korroosionkestoa tai alentamalla osan rasitettujen kohtien jännitystä.

Ainetta lisäävien menetelmien hyödyntämisen mahdollisuudet ovat kuitenkin työssä esi- tettyä laajemmat niin yleisemmin ilmailun saralla kuin lentokoneiden korjauksissakin. Tu- levaisuuden tutkimuskohteita voisivat olla ainetta lisäävin menetelmin valmistetut kom- ponentit lentokoneiden rakenteissa, tällaisten komponenttien korjattavuus sekä uudet teknologiat ja toimintatavat, joissa ainetta lisääviä menetelmiä hyödynnetään välillisesti.

Esimerkiksi monimutkaisten ohutlevykappaleiden valmistamisessa voidaan hyödyntää nopeasti ja halvalla muovista 3D-tulostamalla valmistettavia puristus- eli meistotyökaluja.

Vastaavasti valukappaleita voidaan valmistaa pieniä sarjoja tai jopa yksilöllisiä kappa- leita aiempaa nopeammin ja halvemmin, kun hiekkavalumuotit valmistetaan tulosta- malla. Ainetta lisäämällä saattaisi olla myös mahdollista modifioida komponentteja ja li- sätä niiden toiminnallisuutta esimerkiksi lisäämällä kiinnikkeitä tai tukia rakenneosiin tai muuttaa virtauksessa olevan osan virtausdynaamisia ominaisuuksia. Ainetta lisäävillä menetelmillä voi myös tuottaa rakenteita, jotka eivät muilla menetelmillä onnistu, esimer- kiksi sisäisesti jäykistetyt rakenteet, tai vaikka lisättävän aineen koostumusta hiljalleen muuttamalla rakenteita, joissa materiaaliominaisuudet muuttuvat liukuvasti (engl. func- tionally graded material, FGM).

LÄHTEET

Alkhimov, A., Papyrin, A., Kosarev, V., Nesterovich, N. & Shushpanov, M. (1994). Gas- dynamic spraying method for applying a coating, Pat. US5302414A, 12.4.1994, Appl. no. US07/781233, 19.5.1990, 11 p. Saatavissa (viitattu 17.11.2021):

https://patents.google.com/patent/US5302414A

Assadi, H., Kreye, H., Gärtner, F. & Klassen, T. (2016). Cold spraying – A materials perspective, Acta Materialia, Vol. 116, pp. 382–407.

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2016.06.034

Bi, G. & Gasser, A. (2011). Restoration of Nickel-Base Turbine Blade Knife-Edges with Controlled Laser Aided Additive Manufacturing, Physics Procedia, Vol. 12, pp. 402–409.

https://doi.org/10.1016/j.phpro.2011.03.051

Cadney, S., Brochu, M., Richer, P. & Jodoin, B. (2008). Cold gas dynamic spraying as a method for freeforming and joining materials, Surface and Coatings Technology, Vol. 202(12), pp. 2801–2806.

https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2007.10.010

Champagne, V. Jr., Koh, P., Eden, T., Wolfe, D., Villafuerte, J. & Helfritch, D. (2015).

Applications, in: Villafuerte J. (ed.), Modern Cold Spray, Springer International Publishing, Cham, pp. 341–376.

https://doi.org/10.1007/978-3-319-16772-5_10

Champagne, V. Jr., Matthews, N. & Champagne, V. III. (2018a). Chapter Fourteen - In- troduction to Supersonic Particle Deposition, in: Jones, R., Baker, A., Matthews, N. & Champagne, V. Jr. (eds.), Aircraft Sustainment and Repair, Butterworth- Heinemann, Boston, pp. 799–844.

https://doi.org/10.1016/B978-0-08-100540-8.00014-5

Champagne, V. Jr., Champagne, V. III. & Widener, C. (2018b). Cold Spray Applications, in: Cavaliere, P. (ed.), Cold-Spray Coatings, Springer International Publishing, Cham, pp. 25–56.

https://doi.org/10.1007/978-3-319-67183-3_2

Champagne, V. Jr. (2018c). Advancements in Cold Spray & Army vision, CSAT 2018 Workshop, June 19–20. Saatavissa (viitattu 17.11.2021):

https://30645866-f039-40ad-bae1-2830fed68298.filesusr.com/ugd/

0c16db_6033445adae64430944290915af890a5.pdf

Cotteleer, M., Holdowsky, J., Mahto, M. & Coykendall, J. (2014). 3D opportunity for aer- ospace and defense, DU Press. Saatavissa (viitattu 16.11.2021):

https://dupress.deloitte.com/dup-us-en/focus/3d-opportunity/additive-manufac- turing-3d-opportunity-in-aerospace.html

CSAT, Past CSAT Workshops, verkkosivu. Saatavissa (viitattu 17.11.2021):

https://www.coldsprayteam.com/past-workshops