Komposiittivaipan moderni optimisuunnittelu ja toteutus

Tavoitteena tällä tutkimuksella on soveltaa modernin optimisuunnittelun keinoja komposiittimuovisen nestesäiliön lieriömäisen vaipparakenteen suunnittelemiseksi optimaalisen tyydyttäviksi valmistustekniikan ja kustannusten kannalta. Kuormituksia on kahdenlaisia. Säiliön sisällä on neste, joka tuottaa hydrostaattisen painekuorman ja järjestelmään kytketty puhallin tuottaa ulkoisen ylipaineen. Säiliöt ovat pystysäiliöitä ja ne tukeutuvat alustaan suoran pohjalaatan avulla. FEM- malleissa kuoren alaosat ovat jäykästi kiinnitettyjä ja yläosissa säteensuuntaiset siirtymät ovat estettyjä. Materiaaleiksi kuoreen on valittu kahdella eri menetelmällä lujitetut komposiittimateriaalit. Kantavan kerroksen toimintona on kantaa kuormat. Sulkukerros toimii korroosiosuojana ja sen lujuus on kantavaa kerrosta pienempi. Keinoina käytetään ensin innovatiivista suunnittelua optimaalisten lähtövaihtoehtojen ideoimiseksi ja valitsemiseksi jatkokehittelyä varten. Tavoitteena on asiakkaan tyytyväisyyden maksimointi huomioiden tuotteen kustannukset ja kesto. Yhtenä suunnittelun keinona on käytetty kuoriteoriaa ja komposiittien materiaalimalleja. Kestoehtoina on sovellettu komposiiteille soveltuvia kriteerejä. Toisena keinona käytetään FEM-laskentaa. Elementtityypiksi on valittu kaksiulotteinen kuorielementti, jossa on ortotrooppisen ainemallin mukaiset materiaaliominaisuudet. Jännitystuloksien merkittävyys keston kannalta selvitettiin Tsai-Hillin kriteerillä. Tuloksina saatiin ensin innovoitua rakenteelle kaksi päävaihtoehtoa, joita alettiin optimoida. Valitussa ratkaisussa on huomioitu kokonaisuus ja eri yksityiskohdat, kuten paino, jäykisteet kustannustehokkuus, valmistusnopeus, laatu, hävikit, päästöt, lujuus ja kilpailukykyinen myyntihinta. Yhteenvetona voidaan todeta, että käytetyt keinot ovat hyvin tehokkaita ja niillä voidaan suunnitella ja toteuttaa komposiittirakenteita, jotka tyydyttävät optimaalisesti loppukäyttäjän teknis- taloudelliset vaatimukset. Lisäksi tulokset osoittavat, että standardin ja FEM-laskennan ennustukset ovat lähellä toisiaan sylinterimäisillä kuoriosilla, mutta standardit suosittavat suurempia mittoja itse jäykisteille.

Macroporous Scaffolds for Bone Engineering. Studies on Cell Culture and Ectopic Bone Formation

Bone engineering is a rapidly developing area of reconstructive medicine where bone inducing factors and/or cells are combined with a scaffold material to regenerate the structure and function of the original tissue. The aim of this study was to compare the suitability of different macroporous scaffold types for bone engineering applications. The two scaffold categories studied were a) the mechanically strong and stable titanium fiber meshes and b) the elastic and biodegradable porous polymers. Furthermore, bioactive modifications were applied to these basic scaffold types, and their effect on the osteogenic responses was evaluated in cell culture and ectopic bone formation studies. The osteogenic phenotype of cultured cell-scaffold constructs was heightened with a sol-gel derived titania coating, but not with a mixed titania-silica coating. The latter coating also resulted in delayed ectopic bone formation in bone marrow stromal cell seeded scaffolds. However, the better bone contact in early implantation times and more even bone tissue distribution at later times indicated enhanced osteoconductivity of both the coated scaffold types. Overall, the most promising bone engineering results were obtained with titania coated fiber meshes. Elastic and biodegradable poly(ε-caprolactone/D,L-lactide) based scaffolds were also developed in this study. The degradation rates of the scaffolds in vitro were governed by the hydrophilicity of the polymer matrix, and the porous architecture was controlled by the amount and type of porogen used. A continuous phase macroporosity was obtained using a novel CaCl2 • 6H2O porogen. Dynamic culture conditions increased cell invasion, but decreased cell numbers and osteogenicity, within the scaffolds. Osteogenic differentiation in static cultures and ectopic bone formation in cell seeded scaffolds were enhanced in composites, with 30 wt-% of bioactive glass filler.

Lujitemuovisen kaavinterän kannatinpalkin suunnittelu

Diplomityössä perehdytään lujitemuovikomposiitteihin sekä niiden valmistusmenetelmiin. Tavoitteena on kehittää lujitemuovinen paperikoneen kaavinterän kannatinpalkkirakenne. Suunniteltavalla tuotteella pyritään korvaamaan perinteisesti teräksestä valmistetut paperikoneiden kaavinterän pidikepalkit paremmin tarkoitukseen sopivalla lujitemuovisella rakenteella sekä parantamaan jo tuotannossa olevan tuotteen ominaisuuksia. Työssä selvitetään tuotteen vaatimukset, joiden pohjalta laaditaan tuotteen vaatimusprofiili ja suoritetaan materiaalinvalinta perustuen ominaisarvovertailuihin. Suunnitteluosiossa tutkitaan eri rakenneratkaisujen soveltuvuutta kohteeseen. Tutkimustulosten perusteella saatiin kattava kuva eri materiaalien soveltuvuudesta kohteeseen sekä kehitettiin rakenneratkaisu, joka täyttää tuotteelta vaaditut ominaisuudet. Tutkimustulosten pohjalta syntyi myös uuden tyyppinen rakenne jolla saavutetaan huomattavaa tilansäästöä perinteisiin rakenneratkaisuihin nähden. Tämän rakenneratkaisun kehitystyötä on tarkoitus jatkaa.

Thermoplastic bioactive composite – with special reference to dissolution behaviour and tissue response

Bioactive glasses are surface-active ceramic materials which support and accelerate bone growth in the body. During the healing of a bone fracture or a large bone defect, fixation is often needed. The aim of this thesis was to determine the dissolution behaviour and biocompatibility of a composite consisting of poly(ε-caprolactone-co-DL-lactide) and bioactive glass (S53P4). In addition the applicability as an injectable material straight to a bone defect was assessed. In in vitro tests the dissolution behaviour of plain copolymer and composites containing bioactive glass granules was evaluated, as well as surface reactivity and the material’s capability to form apatite in simulated body fluid (SBF). The human fibroblast proliferation was tested on materials in cell culture. In in vivo experiments, toxicological tests, material degradation and tissue reactions were tested both in subcutaneous space and in experimental bone defects. The composites containing bioactive glass formed a unified layer of apatite on their surface in SBF. The size and amount of glass granules affected the degradation of polymer matrix, as well the material’s surface reactivity. In cell culture on the test materials the human gingival fibroblasts proliferated and matured faster compared with control materials. In in vitro tests a connective tissue capsule was formed around the specimens, and became thinner in the course of time. Foreign body cell reactions in toxicological tests were mild. In experimental bone defects the specimens with a high concentration of small bioactive glass granules (<45 μm) formed a dense apatite surface layer that restricted the bone ingrowth to material. The range of large glass granules (90-315 μm) with high concentrations formed the best bonding with bone, but slow degradation on the copolymer restricted the bone growth only in the superficial layers. In these studies, the handling properties of the material proved to be good and tissue reactions were mild. The reactivity of bioactive glass was retained inside the copolymer matrix, thus enabling bone conductivity with composites. However, the copolymer was noticed to degradate too slowly compared with the bone healing. Therefore, the porosity of the material should be increased in order to improve tissue healing.

Komposiittirakenteiden soveltamismahdollisuudet pesureissa

Teräksen raaka-ainekustannusten jyrkkä nousu pakottaa prosessiteollisuuden etsimään vaihtoehtoisia rakennemateriaaleja, joiden ominaisuudet ovat vähintään terästä vastaavia. Prosessiteollisuudessa joudutaan käyttämään runsaasti kemikaaleja kestäviä laitteita, jolloin rakennemateriaaliksi sopiva on haponkestävä teräs. Laitteiden kokojen kasvusta seuraa niiden kokonaispainojen kasvu aiheuttaen haasteita niitä kantaville perustuksille. Komposiitti on yksi varteenotettava vaihtoehto haponkestävän teräksen korvaajaksi, sillä komposiitin ominaisuus/painosuhde on terästä parempi. Diplomityön tavoitteena on ollut selvittää Washers & Filters – tuoteperheeseen kuuluvien laitteiden, DD-pesurin (Drum Displacer) ja GF- suotimen (GasFree Filter), rakenteista löytyvien osien mahdollisuutta korvata komposiitilla. Työn pohjaksi on käsitelty komposiittien ominaisuuksia, tyyppejä ja valmistusmenetelmiä sekä perehdytty sellupesureiden toimintaprosessiin. Tältä pohjalta löytyi valintakriteerien avulla rakenteita, joita olisi mahdollista korvata komposiitilla.

Kevyiden rakennemateriaalien soveltamismahdollisuudet metsäkoneissa

Asiakkaiden ympäristötietoisuus, metsäkoneille asetettavat korkeat vaatimukset ja kiristyvä kilpailu pakottavat metsäkoneiden valmistajat etsimään vaihtoehtoisia valmistusmateriaaleja, joita käyttämällä metsäkoneet kevenevät ja sitä kautta niiden ympäristökuormitukset ja käyttökustannukset alenevat ja kapasiteetti kasvaa. Metsäkoneiden rakenteiden keventämisessä alumiini on yksi varteenotettava vaihtoehto teräksen korvaajaksi, sillä alumiinin ominaisuus/paino -suhde on terästä parempi. Alumiinin käyttöä hitsatuissa rakenteissa ovat rajoittaneet sen korkea hinta ja melko huono väsymiskestävyys. Diplomityön tavoitteena on ollut selvittää mahdollisuuksia korvata metsäkoneiden rakenteista löytyviä teräksestä valmistettuja osia alumiinista valmistetuilla osilla. Diplomityön teoriaosassa on käsitelty rakenteiden keventämistä, metsäkoneille asetettavia vaatimuksia, alumiinien materiaaliominaisuuksia, alumiinirakenteiden valmistuksessa käytettäviä menetelmiä sekä alumiinirakenteiden suunnittelua. Lisäksi teoriaosassa on käsitelty komposiittien materiaaliominaisuuksia ja komposiittirakenteiden suunnittelua. Diplomityön kokeellisessa osassa on vertailtu nykyisiä rakennemateriaaleja ja alumiineja metsäkoneen eri osien rakennemateriaaleina osien vaatimusprofiileihin ja materiaalien ominaisuusprofiileihin perustuen. Vaatimusprofiilien perusteella on laadittu ominaisuusprofiilit alumiineille ja teräksille. Sovittamalla vaatimus- ja ominaisuusprofiilit yhteen arvoanalyysin avulla, metsäkoneista on etsitty mahdollisia kohteita, joissa nykyinen rakennemateriaali voitaisiin korvata alumiinilla. Tältä pohjalta metsäkoneista löytyi rakenteita, joissa alumiinin käyttö rakennemateriaalina teräksen sijaan olisi mahdollista. Diplomityö toimii hyvänä pohjana tutkittaessa mahdollisuuksia metsäkoneiden rakenteiden keventämiseksi.

Non-resorbable glass fibre-reinforced composite with porous surface as bone substitute material: Experimental studies in vitro and in vivo focused on bone-implant interface

The development of load-bearing osseous implant with desired mechanical and surface properties in order to promote incorporation with bone and to eliminate risk of bone resorption and implant failure is a very challenging task. Bone formation and resoption processes depend on the mechanical environment. Certain stress/strain conditions are required to promote new bone growth and to prevent bone mass loss. Conventional metallic implants with high stiffness carry most of the load and the surrounding bone becomes virtually unloaded and inactive. Fibre-reinforced composites offer an interesting alternative to metallic implants, because their mechanical properties can be tailored to be equal to those of bone, by the careful selection of matrix polymer, type of fibres, fibre volume fraction, orientation and length. Successful load transfer at bone-implant interface requires proper fixation between the bone and implant. One promising method to promote fixation is to prepare implants with porous surface. Bone ingrowth into porous surface structure stabilises the system and improves clinical success of the implant. The experimental part of this work was focused on polymethyl methacrylate (PMMA) -based composites with dense load-bearing core and porous surface. Three-dimensionally randomly orientated chopped glass fibres were used to reinforce the composite. A method to fabricate those composites was developed by a solvent treatment technique and some characterisations concerning the functionality of the surface structure were made in vitro and in vivo. Scanning electron microscope observations revealed that the pore size and interconnective porous architecture of the surface layer of the fibre-reinforced composite (FRC) could be optimal for bone ingrowth. Microhardness measurements showed that the solvent treatment did not have an effect on the mechanical properties of the load-bearing core. A push-out test, using dental stone as a bone model material, revealed that short glass fibre-reinforced porous surface layer is strong enough to carry load. Unreacted monomers can cause the chemical necrosis of the tissue, but the levels of leachable resisidual monomers were considerably lower than those found in chemically cured fibre-reinforced dentures and in modified acrylic bone cements. Animal experiments proved that surface porous FRC implant can enhance fixation between bone and FRC. New bone ingrowth into the pores was detected and strong interlocking between bone and the implant was achieved.

Chelating Adsorbents in Purification of Hydrometallurgical Solutions

In this thesis, equilibrium and dynamic sorption properties of weakly basic chelating adsorbents were studied to explain removal of copper, nickel from a concentrated zinc sulfate solution in a hydrometallurgical process. Silica-supported chelating composites containing either branched poly(ethyleneimine) (BPEI) or 2-(aminomethyl)pyridine (AMP) as a functional group were used. The adsorbents are commercially available from Purity Systems Inc, USA as WP-1® and CuWRAM®, respectively. The fundamental interactions between the adsorbents, sulfuric acid and metal sulfates were studied in detail and the results were used to find the best conditions for removal of copper and nickel from an authentic ZnSO4 process solution. In particular, the effect of acid concentration and temperature on the separation efficiency was considered. Both experimental and modeling aspectswere covered in all cases. Metal sorption is considerably affected by the chemical properties of the studied adsorbents and by the separation conditions. In the case of WP-1, acid affinity is so high that column separation of copper, nickel and zinc has to be done using the adsorbent in base-form. On the other hand, the basicity of CuWRAM is significantly lower and protonated adsorbent can be used. Increasing temperature decreases the basicity and the metals affinity of both adsorbents, but the uptake capacities remain practically unchanged. Moreover, increasing temperature substantially enhances intra-particle mass transport and decreases viscosities thus allowing significantly higher feed flow rates in the fixed-bed separation. The copper selectivity of both adsorbents is very high even in the presence of a 250-fold excess of zinc. However, because of the basicity of WP-1, metal precipitation is a serious problem and therefore only CuWRAM is suitable for the practical industrial application. The optimum temperature for copper removal appears to be around 60 oC and an alternative solution purification method is proposed. The Ni/Zn selectivity of both WP-1 and CuWRAM is insufficient for removal of the very small amounts of nickel present in the concentrated ZnSO4 solution.