Ihmiset ovat käyttäneet metalleja ja muita materiaaleja hyödyksi jo tuhansia vuosia. Materiaalien merkitystä ihmiskunnan kehitykselle ilmentää jo se, että historian pitkät aikakaudet kuten kivi-, pronssi- tai rautakausi on nimetty sen mukaan, mistä materiaaleista kunakin aikana ihminen oppi valmistamaan työkalunsa ja monet muut tarve-esineensä.
Vaikka materiaaleja on käytetty läpi ihmiskunnan historian, kuitenkin vasta oikeastaan 1700-luvun loppupuolelta lähtien on ymmärretty niitä tekijöitä, joista materiaalien tyypilliset ominaisuudet johtuvat. Osa ominaisuuksista johtuu materiaalin kemiallisesta koostumuksesta, kun taas osa määräytyy enemmänkin sisäisen rakenteen ja järjestyksen perusteella.
Luja ja kevyt teräs mullisti koneteollisuuden
Taloudelliset tekijät ovat aina ohjanneet voimakkaasti materiaalien kehitystä. Nykyaikaiselle valmistavalle teollisuudelle tärkein materiaalitekniikan keksintö on epäilemättä teräksen valmistuksen keksiminen. Vaikka teräksen valmistus tunnettiin Kiinassa jo 200-luvulla, vasta 1855 patentoitu Bessemer-konvertteri alensi teräksen tuottamisen kustannukset samalle tasolle valuraudan kanssa. Lujemman ja kevyemmän teräksen laajamittainen käyttö mahdollisti koneiden ja laitteiden nopean kehittymisen. Teräksiä on tästä lähtien jatkuvasti kehitetty edelleen paremmiksi; lujemmiksi tai kulutuskestävämmiksi kone- ja laiterakennuksen tarpeisiin.
Teknologian kehittymisen mukana vaatimustaso konepajateollisuuden materiaaleille on myös jatkuvasti noussut. Vielä 1900-luvun alkupuolella lähes ainoa vaatimus yleisille rakenneteräksille koski niiden myötölujuutta, jota voitiin parantaa teräksen hiilipitoisuutta nostamalla. Sitkeydelle pantiin vähemmän painoa, koska teräsrakenteiden liittäminen tehtiin pääasiassa niittaamalla. Kun siirryttiin enemmän hitsauksen käyttöön terästen liittämisessä, niitä oli vastaavasti kehitettävä helpommin hitsattaviksi - hiilipitoisuutta oli alennettava ja raekokoa kontrolloitava seostamalla sitkeyden parantamiseksi.
Uusien, parempien materiaalien tutkimus ja käyttöönotto on aina mahdollistanut erottumisen kilpailijoista. Oy Lokomo AB:n, joka on nykyisin osa Metso Outotecia, kivenmurskaajan tuote-esitteessä vuodelta 1925 mainostetaan valuteräksestä valmistetun kivenmurskaajan erinomaisuutta ja ylivoimaisuutta silloisiin valurautarakenteisiin murskaajiin verrattuna. Kilpailuetuina nähtiin uusien teräsrakenteiden lujuus ja keveys. Nämä ominaisuudet ovat edelleen vuonna 2018 murskainten/murskauslaitosten tuotekehityksessä tärkeitä seikkoja ja materiaalitutkimus on myös yhä edelleen olennainen osa tuotekehitystä.
Energiansäästö ja kiertotalous ohjaavat kehitystä
Konepajateollisuudessa käytettävät lujat ja kulutuskestävät materiaalit takaavat tuotteille pitkän elinkaaren sekä samalla minimoivat laitteiden käytönaikaisia ympäristövaikutuksia. Näillä saavutetaan myös taloudellisia hyötyä, sillä laitteiden kuluminen tai vaurioituminen aiheuttaa teollisuudessa runsaasti sekä suoria että välillisiä kustannuksia. Usein välilliset kustannukset, kuten tuotannon menetykset laitteiden korjaamisen tai huollon ajalta voivat olla paljon suurempia kuin vaurioituneen osan vaihtokustannukset.
Teknologian jatkuvan kehittymisen myötä tarvitaan yhä parempia materiaaleja. Koneiden ja laitteiden koot ja tehot ovat tasaisesti kasvaneet ja teolliset prosessit muuttuneet yhä vaativammiksi. Kohonneiden vaatimusten myötä on kehitetty kokonaan uusia materiaalityyppejä ja valmistustekniikoita. Myös perinteisiä valmistusprosesseja on kehitetty tehokkaammiksi. Terästen rinnalle on tullut erilaisia komposiitti- ja hybridimateriaaleja, joissa eri materiaaliryhmiä on yhdistetty toimiviksi rakenteiksi. Materiaalien yhdistäminen voi tapahtua joko nano-, mikro- tai makrotasolla ja saavutettavat ominaisuusyhdistelmät voidaan räätälöidä käyttökohteen mukaan.
Viime aikoina erityisesti myös energiansäästötavoitteet ja ympäristönsuojelulliset näkökohdat ovat ohjanneet materiaalien ja valmistustekniikoiden kehitystä. Nykyisin jo materiaalikehityksen alkuvaiheissa pyritään minimoimaan niiden ympäristövaikutukset eri elinkaaren vaiheissa, sekä järjestämään niiden kierrätys- tai muu uusiokäyttö elinkaaren lopussa. Mekaanisilta ominaisuuksiltaan parhaat ja kestävimmät materiaalit ovat useimmiten myös parhaiten ekologisesti kestävän kehityksen mukaisia. Materiaalien lujuuden kasvattaminen on mahdollistanut sen, että sama toiminnallinen rakenne voidaan toteuttaa pienemmällä materiaalimäärällä kuin vähemmän lujaa terästä käytettäessä. Liikuteltavien laitteiden kyseessä ollessa, kevyempien rakenteiden siirtämiseen tarvitaan vastaavasti vähemmän energiaa (fossiillisia polttoaineita, sähköä tms.). Kulutuskestävyyden parantuminen taas lisää rakenteiden käyttöikää. Materiaalitekniikka onkin avainasemassa tulevassa kiertotalousyhteiskunnassa.
Lähteet: V. Lindroos,M. Sulonen, M. Veistinen: Uudistettu Miekkojan Metallioppi (1986), Oy Lokomo Ab tuote-esite (1925)