Valmistusmenetelmän valinta prototyyppien rakentamisessa
Prototyyppien valmistaminen on osa tuotekehitystä, jossa suunnitteluratkaisuja testataan ja parannetaan ennen sarjatuotantoa. Tämä tutkimus tarkastelee eri valmistusmenetelmiä ja niiden soveltuvuutta prototyyppien valmistamiseen.
Fyysisten prototyyppien valmistaminen on olennainen osa tuotekehitysprosessia. Sen avulla insinöörit ja suunnittelijat voivat arvioida konseptejaan sekä kehittää niiden toimivuutta, estetiikkaa ja laatua ennen massatuotantoon siirtymistä. Opinnäytetyössäni tutkin eri valmistusmenetelmiä prototyyppien valmistuksen näkökulmasta. Tavoitteenani oli luoda ymmärrystä valmistusmenetelmien valintaprosesseista ja siitä, mitkä tekijät vaikuttavat valmistusmenetelmien valintaan.
Prototyyppien suunnittelu ja valmistus
Prototyypit voidaan luokitella kahdelle akselille, fyysisiin tai analyyttisiin sekä kattaviin tai kohdennettuihin. Prototyypit sijoittuvat akseleiden eri kohtiin tuotekehityksen eri vaiheissa. Fyysiset prototyypit ovat konkreettisia valmisteita, jotka muistuttavat lopputuotetta, kun taas analyyttiset prototyypit ovat matemaattisia malleja, joita käytetään suunnitteluteorioiden testaamiseen. Kohdennetulla prototyypillä tarkoitetaan rajattua versiota lopputuotteesta, kun taas kattava prototyyppi pitää sisällään kaikki lopputuotteen ominaisuudet ja on kokonaisvaltainen mallinnus tuotteesta. Työssäni keskitytään ainoastaan fyysisten prototyyppien valmistuksen tutkimiseen.
Valmistusmenetelmän valintaan prototyyppien valmistamiseksi vaikuttaa useita tekijöitä. Käytettävien materiaalien ominaisuudet, tarkkuus, aika, kustannukset ja suunnittelun monimutkaisuus ovat kaikki merkittäviä tekijöitä. Tutkimuksen kannalta haastavaksi osoittautui tutkimusasetelma, jossa valmistusmenetelmien soveltuvuutta tutkitaan yleisellä tasolla, ilman spesifiä prototyyppiä, jonka tarpeisiin yritettäisiin löytää ratkaisua. Tämän ongelman johdosta tutkimuksessa keskitytään valmistusmenetelmien yleisiin ominaisuuksiin, joita vaaditaan yleisesti prototyyppien valmistuksessa.
Valmistusmenetelmien tutkimus
Valmistusmenetelmät jaettiin tutkimuksessa neljään eri kategoriaan; metallin muovaus ja valaminen, työstäminen, muovin ja komposiitin valmistus sekä 3D-tulostaminen.
Metallin muovaus- ja valuprosessit ovat menetelmiä, joita käytetään laajalti teollisuudessa. Nämä menetelmät mahdollistavat suurten ja monimutkaisten osien valmistamisen, mutta niillä on rajoituksia erittäin monimutkaisten geometrioiden ja korkean pinnanlaadun saavuttamisessa. Metallin muovaus- ja valumenetelmien valintaan vaikuttavat osan koko, geometrinen monimutkaisuus ja tarvittava tarkkuus.
Työstömenetelmät, kuten sorvaus, poraus ja jyrsintä, ovat keskeisiä korkeaa toleranssia vaativien osien valmistuksessa. Näillä menetelmillä voidaan valmistaa monimutkaisia muotoja ja ne soveltuvat hyvin erilaisille tuotantomäärille. Työstömenetelmien valintaan vaikuttavat osan geometria, tarvittava tarkkuus ja tuotantomäärä.
Muovien ja komposiittien valmistusmenetelmät tarjoavat laajan valikoiman vaihtoehtoja, joilla voidaan valmistaa monimutkaisia ja kevyitä osia. Näitä menetelmiä käytetään laajalti auto- ja ilmailuteollisuudessa sekä kulutustavaroiden valmistuksessa. Muovin ja komposiittien käsittelymenetelmien valintaan vaikuttavat materiaalin ominaisuudet, tuotantomäärä ja osan geometrinen monimutkaisuus.
3D-tulostus on mullistanut prototyyppien valmistuksen mahdollistamalla monimutkaisten geometrioiden luomisen vähäisellä jätteen määrällä. Tämä menetelmä on erityisen hyödyllinen nopeaan prototyyppien valmistukseen ja pienten tuotantomäärien valmistukseen. 3D-tulostusmenetelmien valintaan vaikuttavat tarvittava tarkkuus, materiaalin ominaisuudet ja osan geometrinen monimutkaisuus.
Tulokset ja johtopäätökset
Tutkimus paljastaa merkittäviä eroja valmistusmenetelmien ja eri kategorioiden välillä, etenkin potentiaalisen tuotantokapasiteetin osalta. Metallisten osien valmistukseen soveltuvat menetelmät omaavat huomattavasti laajemman tuotantokapasiteetin, joka menetelmästä riippuen kykeni sekä yksittäisten osien valmistukseen sekä laaja-alaiseen sarjatuotantoon. 3D-tulostus taas oli täysi vastakohta ja nämä menetelmät soveltuivat ainoastaan pieniin tuotantoeriin.
Tutkimus tarjoaa kattavan vertailun, jota voidaan käyttää valmistusmenetelmien valinnassa soveltuvan materiaalin ja tuotantomäärän perusteella. Vertailun avuksi luotiin taulukko, josta voitiin visuaalisesti todeta eri valmistusmenetelmien korrelaatio tutkimuksessa löydettyjen materiaalien kanssa.
Vertailutaulukko ei kuitenkaan yksin riitä lopullisen tuotantomenetelmän valintaan, koska jokaisella menetelmällä on myös menetelmäkohtaisia rajoituksia geometrisen monimutkaisuuden ja muiden ominaisuuksien suhteen. Myös prototyyppien yksilöllisiä tarpeita ei voida ottaa huomioon taulukon avulla, joten jokaisen tapauksen soveltuvuus on arvioitava spesifin prototyypin osalta.
Yhteenvetona voidaan todeta, ettei yksikään valmistusmenetelmä ole ylitse muiden. Prototyyppien valmistamisen monimutkaisuus ja ainutlaatuiset vaatimukset edellyttävät useiden menetelmien ja prosessien yhdistelmää haluttujen lopputuloksien saavuttamiseksi. Tämä opinnäytetyö tarjoaa kuitenkin perustan eri valmistusmenetelmien ja niiden ominaisuuksien ymmärtämiseen ja sen tuloksia voidaan käyttää valmistusmenetelmien valinnan tukena.
Lähde
Westerlund, S. 2024. Current technology of manufacturing and its applicability for prototyping: a study of manufacturing methods. Bachelor’s thesis. Industrial engineering. Turku University of Applied Studies.
Kuva: AdobeStock.