8.18. Kuidunpituusanalysaattori

15. April 2009

Kirjoittaja: Tapio Makkonen 
Companies:  International Paper, Kajaani Elektroniikka, KCL, TKK
People: Pekka Jauho, Tapio Makkonen

8.18. Kuidunpituusanalysaattori

Keskuslaboratorion (KCL) paperiosastolla alettiin 60-luvulla kehittää uusia mittauslaitteita. Yksi niistä oli kuidunpituusanalysaattori. Aikaisemmin kuitujen pituutta oli kyllä mitattu monellakin tapaa, mutta ne olivat hankalia, suuritöisiä ja ei kovinkaan luotettavia. Eräs tapa oli mitata kuituja suurennetusta kuvasta manuaalisesti yksitellen juoksupyörämittarin avulla. Tämäkin oli hidas ja suurien sarjojen analysointi lähes mahdotonta. Heräsi ajatus nopean ja helppokäyttöisen elektronisen mittauslaitteen kehittämiseen, jolla olisi mahdollista mitata lyhyessä ajassa tuhansia kuituja yhdestä näytteestä.

Kuinka tämä tapahtuisi? Pannaan kuidut kulkemaan yksitellen suorana mittauskennon ohi ja elektroniikka rekisteröi kunkin kuidun pituuden ja lajittelee muistiin pituuden mukaan. Helpommin sanottu kuin tehty. TKK:n professori Jauho tarjoutui laskemaan sellaisen putkisuppilon muodon, jossa kuitu imun aiheuttaman kiihtyvyyden ansiosta suoristuisi ja voitaisiin mitata. KCL:ssa oli lasinpuhaltaja , joka valmisti muutamia laskujen mukaisia suppilokapillaareja . Stroboskooppi valolähteenä valokuvaamalla selvitin, suoristuuko kuitu. Lukuisien kuvasarjojen perusteella totesin , että kuitu on niin jäykkä, että sillä tavalla ei onnistu, vaikka kuitunäytteen esikäsittelyllä yritin saada kuituja “rennommiksi“. Seuraavaksi aloin kokeilla, että pannaan kuidut juoksemaan niin ohuen kapillaarin läpi, että kuidut ovat lähes suoria. Alkoi aikamoinen kokeilu. Filmiä kului. Vähitellen selvisi sopiva kapillaarin koko ja näytesuppilon muoto. Tarpeellinen kuitujen nopeus 3 m/s saatiin sopivalla alipaineella. Alipaine taas aiheutti veteen liuenneen ilman kuplimisen. Kuplat aiheuttivat virhettä valokennossa. Kuitunäytteestä piti ensin poistaa liuennut ilma tyhjiön avulla. Kokeellisesti haettiin näytteen sopiva laimennus. Suppilossa lähelle kapillaarin alkua piti kehittää mekaanisesti vastapyörre, että kuituja ei menisi kapillaariin kiinni toisissaan. Kuvasarjoista ilmeni, että vakioimusta huolimatta pitkät kuidut kulkivat hiukan eri nopeuksilla. Sen vuoksi oli välttämätöntä mittauselektroniikka suunnitella niin, että jokaisen valokennojen ohi kulkevan kuidun nopeus mitataan ensin ja sitten pituus. Kuitu on kahtaistaittava. Se tarkoittaa, että valon polarisaatio muuttuu kuidun läpi kulkiessaan. Kapillaarin molemmin puolin ristikkäin olevilla polarisaattoreilla valolähteen taustavalo saatiin häivytettyä, mutta kuidut näkyivät valoisina. Sopivaa optiikkaa käyttäen kuidut kuvattiin valokennoille. Elektroniikka suunniteltiin siten, että tuloksena analyysistä saatiin kuidunpituusjakauma.

Mittauslaitteissa pitää olla mahdollisuus kalibrointiin. Testausta ja kalibrointia varten tarvittiin näyte, jossa olisi tietyn pituisia kuituja aluksi kolmea eri pituutta. Luonnosta ei löydy. Hankin erilaisia keinokuitunäytteitä, joista löytyi sopiva leikattavaksi. Leikkaaminen ei onnistunut saksilla. Suunnittelin tarkoitusta varten leikkurin, jolla saatiin riittävän tarkasti tasapituisia kuituja. Mikroskoopilla mitattiin pituudet ja niin pystyttiin analysaattori testaamaan ja kalibroimaan. Analysaattori oli valmis.

Analysaattorista tehtiin patenttihakemus. Kehittelyvaiheessa KCL:ssa oli eräs ranskalainen, joka sai yksityiskohtaiset tiedot analysaattorista. Hän haki myöhemmin patenttia Ranskassa. Siitä aiheutui pitkään harmia

Kehitysprojekti oli ikään kuin sivutyö, jota tein silloin kun sain aikaa keploteltua muun työn ohessa. Analysaattoria käytettiin aluksi vain vähän. Soitin Kajaani Oy:n elektroniikkatehtaalle ja kysyin, josko heitä kiinnostaisi tämä tuote. Pitkään aikaan ei kuulunut mitään. Soitin uudestaan ja he ilmoittivat tehneensä maailman laajuisen markkinatutkimuksen ja sen tulos oli ollut, että paperiteollisuudessa ei ole minkäänlaista kiinnostusta sen hankkimiseksi. Niin ollen eivät olleet kiinnostuneita.

Sittemmin elektroniikkatehtaalle tuli huonot ajat ja eräs johtaja tuli huhtikuussa v. 19982 tapaamaan ja halusi ostaa lisenssin analysaattoriin. Asialla kuului olevan kiire. Teollisen valmistuksen aloittamiseksi pitäisi olla konepiirustukset ym paperit valmiina heinäkuun puoliväliin mennessä. Lupasin, että minun puolesta paperit kyllä valmistuu, mutta sopimus on johdon asia. Kajaani Elektroniikka sai sopimuksen ja siitä tuli heti menestystuote.

Myöhemmin olin menossa IP:lle Atlantassa. Sisääntuloaulassa oli keskellä lattiaa lasivitriini. Menin katsomaan. Siellä oli kuidunpituusanalysaattori. Nuori mies tuli selostamaan: “Olemme hyvin aikaa seuraava yhtiö. Tässä on erinomainen uutuus. Olemme kokeilleet sitä ja tulemme hankkimaan sen kaikille tehtaille. Tätä valmistaa Kajaani Elektroniikka. Onko tuttu firma?” Vastasin, että on. Seuraava kysymys: “Selitänkö, miten tämä toimii, vai tunnetteko jo?” Vastasin että tunnen, kun olen sen itse kehittänyt.