VTT puolittaa ympäristöystävällisempien pehmeiden materiaalien suunnitteluun vaadittavan ajan fysiikkaperusteisen monimallintamisen ja tekoälyn avulla

Resurssipulan ja hiilineutraaliuden tavoittelemisen asettamien paineiden myötä muun muassa tekstiili-, pakkausmateriaali- ja rakennusalan yritykset etsivät ympäristöystävällisiä vaihtoehtoja nykyisten materiaalien tilalle. Samalla pyritään parantamaan olemassa olevien tuotteiden kestävyyttä uudelleensuunnittelun avulla.

VTT laajentaa kehittämänsä tietokoneavusteisen materiaalikehityksen (ICME, Integrated Computational Materials Engineering) ProperTune-ratkaisun soveltamisalaa. Jatkossa työkalu soveltuu kovien materiaalien lisäksi pehmeiden materiaalien, kuten puun, polymeerien ja muovin mallintamiseen ja suunnitteluun. Näin kehitysprosessiin kuluva aika voidaan jopa puolittaa.

ProperTunen avulla voidaan lisäksi pienentää tuotekehityksen kuluja, vähentää ympäristölle haitallisten materiaalien käyttöä sekä suunnitella uusia, entistä parempia materiaaleja.

Kestämättömiä materiaaleja on enemmän kuin koskaan aiemmin. ICME:n laajemman soveltamisalan ansiosta materiaalien kehittäminen on nopeampaa ja taloudellisesti kannattavampaa.

“Tuotteiden kehittäminen virtuaalisesti on nykypäivää. Tulevaisuudessa perinteisten materiaalien hankkiminen kallistuu ja hankaloituu entisestään. Esimerkiksi akkujen ja paristojen valmistamiseen tarvitaan suuria määriä maametalleja, joiden saatavuus on heikkoa. Siksi muun muassa litiumille tarvitaan biopohjaisia vaihtoehtoja. Kaikki mahdolliset luonnonvarat tulee ottaa huomioon olemassa olevien tuotteiden ja uusien materiaalien kehityksessä”, kertoo VTT:n tutkimustiimin päällikkö Antti Puisto.

ProperTune yhdistää fysiikkaperusteisen monitasomallintamisen ja datavetoisen tekoälyn. Sen avulla on mahdollista luoda mikrorakenteeltaan tarkkoja materiaaleja ja niihin kohdistuvia kuormia realistisissa olosuhteissa. ProperTune analysoi tuotteet ja materiaalit mallintamalla, miten niihin kohdistuvat ympäristö- ja kulumistekijät vaikuttavat lopputuotteeseen.

Täysin digitaalisessa ympäristössä työskenteleminen ja niin ympäristön kuin käytön kannalta kestävämpien materiaalien etsiminen on huomattavasti nopeampaa kuin perinteisesti yrityksen ja erehdyksen kautta. Lisäksi uuden materiaalin käyttökestävyyttä ja muita tärkeitä suoritusparametreja voidaan tutkia yksinkertaisemmin digitaalisesti.

“Hyödyntämällä virtuaalista materiaalisuunnittelua ja -testausta pystymme luomaan parempia tuotteita entistä nopeammin ja kustannustehokkaammin”, Puisto toteaa.

Pehmeissä materiaaleissa bakteerit ovat yksi kiinnostavimmista tutkimuskohteista, sillä bakteereja on käytännössä loputon määrä.

“Esimerkiksi pahvimukeissa on usein suojaava pinnoite, joka estää nestettä tuhoamasta mukia. Yleensä pinnoite on valmistettu petrokemiallisista polymeereistä eli muovista. Pinnoite voitaisiin tulevaisuudessa korvata kestävällä, bakteerien tuottamalla vaihtoehtoisella polymeerillä. Näin voitaisiin merkittävästi vähentää fossiilisten materiaalien käyttöä. Lopputuloksena syntyviä pahvimukeja voitaisiin kierrättää yhä uudelleen ja uudelleen”, kertoo Puisto.

Virtuaalinen materiaalisuunnittelu luo mahdollisuuksia myös rakennusalalle. Rakennusten seiniin asennettavat eristeet valmistetaan usein materiaaleista, jotka eivät ole ympäristöystävällisiä, kuten petrokemiallisista polymeereistä eli muovista tai joissakin tapauksissa mineraalivillasta. Molemmat materiaalit päätyvät kaatopaikalle tuotteen elinkaaren loppuvaiheessa.

“Miten kehitetään vaihtoehtoinen eriste, joka ei pilaannu seinien välissä, mutta joka ei aiheuta ympäristöhaittoja, kun sen elinkaari päättyy? Tarvitaan biohajoava materiaali, joka kestää käytössä 50 vuotta. Tällaisiin haasteisiin me haluamme tarttua”, Puisto summaa.

Tunnetuista globaaleista yhtiöistä esimerkiksi Caterpillar, Kone ja Wärtsilä ovat tehneet yhteistyötä VTT:n kanssa hyödyntämällä ProperTune-ratkaisua entistä kestävämpien materiaaliratkaisujen kehittämisessä.

Lisäksi VTT työskentelee pehmeille materiaaleille vaihtoehtoisia ratkaisuja etsivien asiakkaiden kanssa jo nyt. 

“Teemme yhteistyötä asiakkaidemme ensimmäisten uraauurtavien projektien parissa löytääksemme ja kehittääksemme vaihtoehtoja käytössä oleville pehmeille materiaaleille. Uusia, parempia materiaaleja kehittävät yritykset – teollisuuden alasta riippumatta – ovat tiennäyttäjiä matkalla kestävämpään tulevaisuuteen”, Puisto päättää. 

Mediamateriaali:

Kuva 1. PLA-polymeerista muodostettu rakenne molekyylidynamiikkasimulaatiossa, jossa eriväriset pallot kuuluvat eri polymeereille.

Kuva 2. Atomistinen malli selluloosafibrillisegmenttien muodostamalle fibrillikimpulle vedessä.

Kuva 3. Visualisointi sellulaasientsyymeistä hajottamassa selluloosakuitua.

Lisätietoa:

Kuvat ja lisämateriaalit medialle

Antti Puisto, tutkimustiimin päällikkö, VTT,  050 560 8566, antti.puisto@vtt.fi

Lisätietoa VTT:stä
Satu Holm-Jumppanen, viestintäpäällikkö, 050 305 4718, satu.holm-jumppanen@vtt.fi

VTT on visionäärinen tutkimus-, kehitys- ja innovaatiokumppani. Tartumme globaaleihin haasteisiin ja luomme niistä kestävän kasvun mahdollisuuksia. Autamme yhteiskuntaa kehittymään ja yrityksiä kasvamaan teknologisten innovaatioiden avulla – ajattelemme beyond the obvious. Meillä on 80 vuoden kokemus huippututkimuksesta ja tieteeseen perustuvista tuloksista. VTT luo vaikuttavuutta, kun innovaatiot ja liiketoiminta kohtaavat.

VTT – beyond the obvious

Lue lisää: vttresearch.com/fi,  Twitter @VTTFinland, Facebook, LinkedIn, YouTube ja Instagram.