Savilahden oppilaitoksilla on useita eri alojen tutkimus- ja kehityshankkeita, yhdessä tai erikseen. Näistä yhtenä on vihreän siirtymän materiaalit (ViSiMa) niminen, jonka investointiosassa Savonialle hankittiin pyyhkäisyelektronimikroskooppi (SEM) ja siihen liitetty energiadispersiivinen röntgenspektrometri (EDS).

EDS on alkuaineanalysaattori, joka havaitsee röntgensäteet, joita materiaali tuottaa, kun elektronit vuorovaikuttavat sen pinnan kanssa kuvantamisen aikana. Tämä soveltuu erityisesti metallien alkuaineanalyysiin, mutta myös lentotuhkan, johtamattomien materiaalien karakterisointiin, 3D-tulosteiden ja vaurioiden tutkimiseen. SEM täydentää monipuolisesti Savonian materiaalitekniikan laboratorion opetusta sekä TKI-toimintaa.

ViSiMa-hankkeen tarve ja toiminta

Hankkeen avulla parannetaan monialaisen ja modernin materiaalitutkimuksen toimintaympäristön kehittymistä Savilahteen muodostuneen oppilaitosten konsortion osalta. Tämä puolestaan tukee Savonian ja Materiaalitutkimuskeskuksen monipuolista tutkimus- ja kehitystoimintaa. Tällainen laaja konsortio erilaisine mahdollisuuksineen vahvistaa Itä-Suomen alueen kasvua.

Jos ajatellaan hankkeen tarvetta, tavoitteita ja toimintaa, pitää muistaa, että teknologiateollisuus on merkittävin elinkeino Pohjois-Savon alueella kattaen noin 40 % alueen koko tavaraviennistä. Tämän pohjaltakin on tärkeää, että toimialaan olennaisesti vaikuttavat teknologiset muutokset on huomioitu alueen laajassa osaamisessa. Materiaalien sekä rakenteiden haasteiden teollinen selvitys aina suunnittelusta lähtien on merkittävä osa jo pelkästään kustannus- ja energiansäästöjen sekä hiilijalanjäljen kannalta. Nämä kaikki tukevat teollisuutemme kustannussäästöjen painetta sekä ilmaston suojelun eli vihreän siirtymän tavoitteita alati kasvavassa kilpailussa kansainvälisillä markkinoilla.

Erilaiset hyödyt ja hävikin säästöt näkyvät muun muassa tiedon ja taidon lisääntymisenä suunnittelussa, tuotekehityksessä esimerkiksi valamisessa, koneistamisessa, hitsaamisessa, kunnossapidossa sekä lisäävässä valmistuksessa (3D-tulostus).

SEM:in käytön tuomat edut

Mutta ei SEM:in käyttö rajoitu vain konetekniikan eri osa-alueisiin, vaan se soveltuu laajalti useiden koulutus- ja tutkimusalojen käyttöön, sillä onhan insinööritiede niin sanottua polyteknistä koulutusta. SEM:illä voidaan tutkia lähes tulkoon kaikkia materiaaleja, sekä määrittää niiden alkuainepitoisuudet EDS analysaattorin avulla. Tutkittavat näytteet voivat olla metallia, jauheita, polymeerejä, komposiitia, puuta, tekstiilikuituja sekä biologisia näytteitä. EDS:n ”heikkoutena” voidaan pitää keveiden alkuaineiden määrittämistä. Siksi alkuaineiden määrittämisen osalta näistä muutamalle edellä mainitulle hiilipohjaiselle materiaalille EDS ei sovellu.

Kuvassa 1 a on koepolttolaitoksen lentotuhkan pintaa SE:llä (secondary electrons) kuvattuna ja kuvassa 1 b sama näyte BSD:llä (backscatter electron detectors) kuvattuna. Koska näissä on eri metallejakin, kuten rautaa, nikkeliä, kromia etc. voitaisiin näiden alkuainepitoisuudet määrittää hyvinkin tarkasti, edellä esitetyin rajoituksin. Näissä kuvissa on käytetty niin sanottua VP (variable pressure) toimintoa, jonka avulla voidaan kuvantaa sähköä johtamattomia näytteiden pintaa typellä säädeltävän tyhjiön kaasunpaineen avulla. Kuvassa on käytetty typen paineena 10 Pascalia.

Kuvassa 2 on suuremmalla suurennoksella otettu kuva lentotuhkasta BSD:toimintoa hyödyntäen.

Investointihankkeen eteneminen

SEM:in hankintaprosessin rahoittajina Savonia-ammattikorkeakoulun lisäksi olivat Pohjois-Savon liitto, EU sekä useat Pohjois-Savon alueen yritykset. Koska investointihankkeen hinta oli huomattava, niin se laitettiin Hilmaan kansalliseen kilpailutukseen. Tarjouksia eri toimijoilta saatiin 3, joista kilpailutuksen kautta päädyttiin Zeissin tarjoamaan EVO 15:aan.

Alkuaineanalysaattorin osalta oli päädytty Oxfordin tarjoamaan EDS alkuaineanalysaattoriin, johtuen muun muassa sen mahdollisuudesta havaita asbestia. Tämä SEM ja EDS kokonaisuus on osoittautunut hyväksi myös yhteistyö kumppanimme UEF:n mielestä. Laitteen syvällisemmän käytön opiskelu onkin ollut aikaa vaativaa, mutta laitteiston peruskäyttö onnistuu melko helposti tiiviin koulutuksen jälkeen. Kuvassa 3 on Zeissin EVO 15 elektronimikroskooppi Oxfordin EDS analysaattorin detektorin ollessa muiden detektorien kera taaimpana sinisenä SEM:in vasemmalla puolella.

Seuraavassa julkaisussa tulen avaamaan näitä eriskummallisen tuntuisia lyhenteitä ja avaamaan parhaani mukaan toimintaperiaatetta.

---

Kirjoittaja:

Mika Mäkinen, materiaalitekniikan lehtori, Savonia-ammattikorkeakoulu

---