Muovituotteen suunnittelun kokonaisprosessi Tampereen teknillinen yliopisto Sanna Nykänen Muovi materiaalina antaa lukemattomia mahdollisuuksia tuotesuunnitteluun. Muovituotetta suunniteltaessa on muistettava se, että muovit ovat viskoelastisia materiaaleja. Tämä tarkoittaa sitä, että kuormituksen alaisena niissä tapahtuu muodonmuutosta ja niiden ominaisuudet ovat myös riippuvaisia lyhyt- ja pitkäkestoisista käyttölämpötiloista. Lisäksi useilla kemikaaleilla on vaikutuksia muovien ominaisuuksiin. Muovituotteen suunnittelu ei poikkea merkittävästi muista materiaaleista valmistettavien tuotteiden suunnittelusta. Muovituotteen suunnittelussa on kuitenkin monta tekijää, jotka voivat helpottaa tuotesuunnitteluprosessia. Muovituotetta suunniteltaessa prosessin alku on kaikista kriittisin kohta tuotesuunnitteluprosessia ja se tulisikin tehdä huolellisesti, sillä siitä voidaan myös hyötyä eniten kaikkia tuotesuunnitteluprosessin vaiheita ajatellen. Tekninen suunnittelu Tuotteen teknisen suunnittelun tavoitteena on yhdistää oikeanlainen materiaali, muotoilu ja oikeanlaisesti muotoiltu muotti. Muovista valmistetusta tuotteesta pitäisi tulla tehokkaasti ja funktionaalisesti toimiva. Tuotteen on sisällettävä siltä toivotut ominaisuudet ja materiaalin käyttö on minimoitava; kuitenkin niin, ettei se vaikuta tuotteen toimintaan ja laatuun. Pääsääntöisesti tuotesuunnittelun tavoitteena on kehittää parempi ratkaisu johonkin jo olemassa olevaan ratkaisuun. Kuitenkin parhain mahdollisuus tuotteen menestymisessä on silloin, kun suunnitellaan täysin uutta tuotetta. Tuotesovelluksesta riippuen on suunnittelussa huomioitava erilaisia asioita. Jos suunniteltava tuote on normaali kulutustavara, seuraavat asiat on huomioitava: Kulutustavaran suunnittelu Kuluttajan kyky arvioida tuotetta on rajattu Tuotteen on täytettävä sille asetetut vaatimukset Tuotteen käyttökelpoisuus ja käytettävyys Yhdisteltävyys Houkuttelevuus Tuotesuunnitteluprosessi voidaan jakaa eri osa- alueisiin. Näitä voivat olla esim.: Raaka- aineen valinta Muotoilu ja mitoitus Valmistusmenetelmän- ja parametrien määritys Muotin suunnittelu Ympäristön huomioonottaminen, ympäristöystävällisyys Lainsäädäntö ja markkinat Muovi tuotesuunnittelussa Tuotesuunnittelun vaiheet On tärkeää, että jo tuotesuunnitteluprosessin alusta asti raaka-ainetoimittajat, työkalujen valmistajat sekä tuotesuunnittelijat ja valmistajat työskentelevät yhdessä. Tällä tavoin tehtäessä suuri osa ongelmista voidaan ratkaista helpommin tai jopa välttää kokonaan. Kokonaisprosessi - 1
Muovituotteelle voidaan asettaa mm. seuraavia vaatimuksia: Käyttövaatimukset Prosessointivaatimukset Säilytysvaatimukset Kuljetusvaatimukset Käytettävyysvaatimukset Kierrätysvaatimukset Hävittämiseen liittyvät vaatimukset Viranomaisvaatimukset Standardeihin liittyvät vaatimukset Vaatimuksia muovituotteelle Suunnitteluprosessi Muovituotetta suunniteltaessa on huomioitava joitakin perusasioita. Joitain yleisiä asioita huomioitavaksi ovat jännityskonsentraatioiden ja termisten jännitysten minimointi, ripojen käyttö tasomaisten pintojen lujittamiseksi sekä tasaisen sulavirran suunnittelu sulatyöstössä. Suunnitteluprosessi voidaan jakaa esimerkiksi seuraavassa kuvattuihin vaiheisiin: A. Lähtökohta 1. Tuotteen koko ja muoto Käyttötarkoitus ja käyttöön liittyvät vaatimukset o Tuotteen tehtävät o Kokoa koskevat vaatimukset o Toimivuuden edellyttämät muotoiluvaatimukset o Huollettavuus ja korjattavuus Modifikaatiovaatimukset Standardointi ja viranomaisvaatimukset Esteettiset vaatimukset Kuljetukset Paino 2. Rakenteelliset vaatimukset Tuotteen elinaika Rakenteelliset massakuormat o Omasta massasta ja sen kiihtyvyydestä aiheutuvat kuormat o Tuotteeseen kiinnittyvistä massoista ja niiden kiihtyvyyksistä syntyvät kuormat Muut massakuormat o Muuttuvista massoista (hyötykuorma, lumi, yms.) aiheutuvat kuormat Painekuormat o Sisäiset painekuormat o Ulkoiset painekuormat (tuulikuormat, hydr.paine, ym.) Muut kuormat o Iskut o Käsittelykuormat o Värähtelyt Kokonaisprosessi - 2
3. Kuormiin ja niiden kantokykyyn vaikuttavat tekijät Lämpötilat o Ulkoinen ja sisäinen käyttölämpötila- alue o Lämpötilagradientti paksuussuunnassa o Lämpötilasyklit, tyypit ja niiden esiintymistiheys Kosteus Kemikaalit Sateen ja kiinteiden partikkelien kuluttava vaikutus (esim. hiekka) UV- valon vaikutus ja muu ikääntyminen 4. Muita teknisiä vaatimuksia Pinnan sileys ja kitkaominaisuudet Tiiveysvaatimukset Palavuus ja myrkyllisten kaasujen muodostuminen Sähkönjohtavuus Lämmönjohtavuus Valonläpäisykyky 5. Tuotantoon liittyvät tekijät Oletettavat tuotantomäärät (min/max) Tuotteen hintaan kohdistuvat rajoitukset Käytettävissä oleva teknologia ja kapasiteetti Ostettavissa oleva teknologia ja kapasiteetti 6. Tavoiteasettelu Paino Hinta o Myyntihinta o Käyttäjän kokonaishinta (life-cycle cost) Toimitusaika Käyttöön liittyvät tavoitteet o Huollettavuus o Korjattavuus o Vaihtokelpoisuus Muut tavoitteet B. Esisuunnittelu 1. Yleiskonfiguraatio Osajaon suunnittelu Alustavat materiaali- ja valmistusmenetelmävalinnat Liitosten alustava suunnittelu Kriteerit o Vaatimukset o Tavoitteet o Valmistettavuus Kokonaisprosessi - 3
2. Osien muotoilu ja mitoitus Kriittisten kuormitusten määrittely Materiaalien ja materiaaliyhdistelmien lujuusarvojen määrittely vastaten: o Käyttöolosuhteita o Valittuja valmistusmenetelmiä Osien muotoilu Osien alustava mitoitus o Kuitusuunnat o Rakennepaksuudet Liitosten esisuunnittelu ja alustava mitoitus 3. Koeosat Suunnittelu ja valmistus Lujuus- ja toiminnalliset kokeet C. Esisuunnittelun tuloksen tarkistus Täyttääkö esisuunnittelun tulos asetetut vaatimukset? Saavutetaanko asetetut tavoitteet? Onko tulos toiminnallisesti tai taloudellisesti parannettavissa: o Muuttamalla osajakoa o Muuttamalla materiaaleja o Muuttamalla valmistusmenetelmiä D. Lopullinen suunnittelu 1. Materiaali- ja valmistusspesifikaatioiden laadinta Materiaaleja ja niiden laatua koskevat vaatimukset Valmistusta koskevat vaatimukset o Valmistusprosessin määrittely o Laadunvalvontavaatimukset o Sallitut toleranssi- ja materiaalivirheet Käsittelyä ja kuljetusta koskevat vaatimukset Asennusvaatimukset 2. Materiaalien suunnitteluarvojen tarkentaminen Mitoituslujuudet ja jäykkyydet vastaten: o Käyttöolosuhteita (kuormitus-, lämpötila- ja kosteusspektrit) o Valittuja valmistus- ja laadunvalvontamenetelmiä (lujitepitoisuus, laadun tasaisuus, jäännösjännitykset) 3. Rakenneanalyysi Lujuuden, muodonmuutosten, stabiliteetin ja värähtelyominaisuuksien laskenta riittävän tarkoin analyyttisin ja numeerisin menetelmin Rakenteen toimivuuden ja kestävyyden tarkistus. Tarpeelliset modifikaatiot ja konfiguraation lukkoonlyönti Kokonaisprosessi - 4
4. Yksityiskohtien suunnittelu Rakenneyksityiskohtien suunnittelu ja mitoitus Osien työpiirustukset Kokoonpanopiirustukset Ruiskuvalu Ruiskuvalu on hyvä menetelmä muovituotteiden valmistukseen, kun sarjakoot ovat yli 1000 kappaletta. Muotin valmistaminen on kallista ja tämän takia ruiskuvalu on kannattava valmistusmenetelmä suurilla sarjoilla. Muita syitä ruiskuvalun käyttöön ovat esimerkiksi tuotteen esteettiset vaatimukset ovat tiukat tuote on kokoonpano, jossa on paljon yhteenliitettäviä osia tuote on pienikokoinen kappale tuotteella on monimutkainen geometria ja esim. vaikeita 3D- muotoja. Tuotteen ulkonäköön painottuva suunnittelu Tuotteen muotoilun ja suunnittelun tarkoituksena on houkutella kuluttaja ostamaan tuote sen ulkonäön vuoksi. Muotoilun ja suunnittelun toinen tärkeä funktio on tuotteen käytettävyys. Tuotetta muotoillessa ja suunniteltaessa on muistettava aina ottaa huomioon valmistusmenetelmästä aiheutuvat kustannukset. Etenkin ruiskuvalettavaa muovituotetta suunniteltaessa on muistettava pitää mielessä muutamia muotoiluyksityiskohtia. Näitä ovat mm. raaka-ainepaksuuden vaihtelut seinämänpaksuus rakenteellinen jäykkyys rivat reunavahvikkeet ruuvitornit päästöt/vastapäästöt pyöristykset reiät jakotasot syöttöpisteiden sijoittelu ulostyönnön sijoittelu kierteet toleranssit kutistumat kokoonpano pintakäsittelyt. Teknisiä muotoiluseikkoja Kokonaisprosessi - 5
Seuraavassa on käyty lyhyesti läpi edellä listattuja muotoiluyksityiskohtia. Raaka-ainekertymät ja raaka-ainevaihteluiden oikeanlainen suunnittelu Raaka-ainekertymiä on ruiskuvalukappaleessa vältettävä, sillä ne aiheuttavat imuja, pintavikoja, kutistumaonkaloita ja ne myös pidentävät sykliaikaa. Terävät poikkipinnan muutokset voivat lisäksi johtaa jännitysten muodostumiseen ja kappale voi rikkoontua. Kuvassa 1 on esitetty materiaalipaksuuden muutoksen oikeanlaista suunnittelua. Kuva 1: Materiaalipaksuuden vaihtelun oikeanlainen suunnittelu. Seinämänpaksuus Seinämänpaksuus on yksi tärkeimmistä huomioitavista asioista ruiskuvalettavaa kappaletta suunniteltaessa. Seinämänpaksuuden on oltava mahdollisimman pieni ja tasainen. Ruiskuvalettavien kappaleiden seinämänpaksuus vaihtelee tyypillisesti välillä 0,8 4,8 mm, riippuen kappaleen koosta, käytetystä muovimateriaalista sekä prosessoinnista. Jos tuotteen rakenne tarvitsee jäykistämistä, on suositeltavaa pyrkiä jäykistämään sitä muotoilun sekä jännitysten tasaamisen avulla. Jos tämä ei ole mahdollista, voidaan käyttää jäykisteitä, kuten ripoja, rakenteen lujittamiseksi. Vasta näiden keinojen jälkeen voidaan miettiä tuotteen seinämänpaksuuden kasvattamista. Rivat Ripojen avulla voidaan jäykistää muovituotteen rakennetta etenkin suurien, tasomaisten pintojen tapauksessa. Rivan paksuus saa olla maksimissaan puolet kappaleen seinämänpaksuudesta sekä sen korkeus saa olla korkeintaan kolme kertaa seinämänpaksuus. Jos tarvitaan vieläkin parempaa lujuutta, on suositeltavampaa käyttää useita ripoja kuin kasvattaa yksittäisen rivan korkeutta. Useita ripoja käytettäessä niiden välinen välimatka on oltava vähintään kaksi kertaa nimellinen seinämänpaksuus. Koska terävät nurkat toimivat jännitysten keskittäjinä, rivan tyveen on lisättävä vähintään 25 % nimellisestä seinämänpaksuudesta. Rivoissa on käytettävä vähintään 0,5 päästökulmaa, jotta ripoja sisältävän kappaleen ulostyöntäminen muotista on mahdollista. Kuvissa 2 ja 3 on esitetty ripojen mitoitusta. Kuva 2: Rivan mitoitus. Perustuu GE Plastics: Designing Guide. Kuvassa t = rivan pohjan leveys (t 0,5T), h = korkeus (h = 3T), r = nurkan pyöristyssäde, (r 0,25 0,4T), S = ripojen välinen matka (S 2T), päästökulma 0,5. Kokonaisprosessi - 6
Kuva 3: Tukevien ripojen mitoitusta. Perustuu GE Plastics: Design Guide. Kuvassa T = seinämänpaksuus, D = lujittavan seinämän paksuus, A = kappaleen seinämään kiinnittyvän rivan kyljen pituus (A 2T), B = ripojen välisen matkan pituus (B 2T), C = rivan paksuus (0,7T C 0,5T). Myös ruuvitornien suunnittelussa on muistettava välttää raaka-ainekertymiä. Päästö Ruiskuvalutuotteissa käytetään päästökulmia, jotta kappaleen irrottaminen muotista helpottuisi. Käytetyn päästökulman suuruus riippuu mm. pinnanlaadusta ja pinnan mahdollisesta kuvioinnista. Yleensä suositetaan käytettäväksi vähintään 0,5 päästökulmaa, mutta normaalisti käytetään 1,5 3 päästöjä. Kuvassa 4. on esitetty päästökulman käyttöä. Kuva 4: Päästökulman käyttö. Perustuu Rosato: Injection molding handbook, s. 603. Terävät kulmat Ruiskuvaletuissa kappaleissa on vältettävä teräviä kulmia. Kaikki kulmat pitäisi pyöristää. Pyöristyksien käyttö on erittäin tärkeää etenkin loviherkillä materiaaleilla. Reiät Ruiskuvalettavaan kappaleeseen tehtävät reiät on suositeltavaa tehdä kappaleen läpi meneviksi. Näin ne voidaan tukea molemmilta puolin. Portin paikka Porttialue ei saisi sijaita kappaleen kuormaakantavalla pinnalla. Portin paikka on valittava niin, että sulan virtaus on jatkuvaa. Portin on oltava kooltaan vähintään kaksi-kolmasosaa kappaleen paksuudesta. Kokonaisprosessi - 7
Tyypillisiä ruiskuvalukappaleen suunnitteluvirheitä Seuraavassa on esitetty tyypillisimpiä suunnitteluvirheitä, jotka usein voidaan kuitenkin välttää riittävällä huolellisuudella ja tarkkaavaisuudella: liian ohuet/paksut kohdat, raaka-ainesiirtymät, vääntyily ja jännitykset useat portit ja yhtymäsaumat porttien vääränlainen sijoittelu ruiskuvaluun liian paksut tai ohuet kappaleet muovin virtaavuusmatka liian pitkä jakokanavat ja portit liian pieniä riittämätöntä lämpötilan hallintasysteemi liian pitkä jakokanava osan geometria vs. portin geometria kierreinsertit kalvosaranat Lähteet Muovimateriaalit ja niiden tekniset sovellukset, kurssimateriaali, Tampereen teknillinen yliopisto, Muovi- ja elastomeeritekniikan laboratorio. Rosato et al., Injection Molding Handbook, 3 rd ed., Kluwer, 2000. Malloy, Plastic Part Design for Injection Molding, Hanser Publishers, 1994. Pye, Injection Mould Design, Longman Singapore Publishers, 1989. Dym, Injection molds and molding, Van Nostrand Reinhold Comp., 1987. Kokonaisprosessi - 8