May 12, 2019
Virtauslaskenta eli CFD-mallinnus mahdollistaa tehokkaamman tuotekehityksen
Yritykset kokevat ennennäkemättömiä paineita kehittää tuotteitaan dynaamisille ja haasteellisille, sekä globaaleille markkinoille. Tuotekehitysosastoilla uudet ratkaisut on saatavat yhä nopeammin myyntiin ja paineet insinööreillä ja tuotepäälliköillä päättää suunnittelun yksityiskohdista kasvavat. Yhä useampi tekninen innovaatio voi jäädä aikataulupaineiden vuoksi kokonaan implemoimatta uusimpaankin tuotteeseen, riittävää tietoa päätöksien tueksi ei ehditä saada.
Kiireen keskellä saatetaan pyrkiä tekemään vain keskinkertainen tuote, mahdollisimman halvalla. Kopioidaan vanhan tuotteen hyvät puolet ja tuotantoa viilataan tai siirretään edullisempaan paikkaan. Tuotekehitys voi olla segrekoitunut useammalle mantereelle, kommunikaatio osastojen välillä on hankaloitunut. Riskit uuden tuotteen markkinoille pääsemiseksi kasvavat, usein jo tuotekehityksessä suunniteltu laite ei edes selviä myyntiin asti ja valtava määrä arvokasta insinöörityötä hukataan lopulta.
Sama pyörä joudutaan keksimään yrityksen sisällä uudelleen ja uudelleen. Ne tuotteet, jotka päätyvät myyntiin asti viiveellä, voivat olla ominaisuuksiltaan vanhentuneita ja useampi kilpailija on jo aloittanut myymään liki vastaavaa tuotetta halvammalla. Alati tiukentuvat standardit pakottavat uudelleensuunnittelemaan vanhat konstruktiot.
Kustannusten leikkuukierros alkaa mahdollisesti jo kesken suunnittelun. Kentällä olevat laitteet saattavat rikkoontua ennen takuuaikaa, sillä joku suunnittelun kohta on jäänyt epävarmaksi. Yksittäistä tai useampaa suunnittelun yksityiskohtaa ei ole osattu ymmärtää oikein tai ympäristö on muuttunut. Aletaan ottamaan tietoisia riskejä, sekä tuotteen elinkaaren, että ominaisuuksiena saavuttamisen kustannuksella.
Simulointi astuu kuvaan tuotekehityksessä viimeistään siinä vaiheessa kun suunnitteluosaston oma väki ei riitä, tarvitaan ulkopuolista arviota ja varmuutta. Tuotekehitysinsinöörin pestissä on niukasti aikaa hektisessä kehityssyklissä. Simulointi-ryhmän perustaminen on arvokasta ja laskentalisenssit ovat hintavia, monesti liiketoiminnallisesti palvelut kannattaa ostaa sekä ajan että juoksevien lisenssikulujen vuoksi konsultointina.
Virtauslaskenta on osa teknillistä laskentaa kuten paremmin tunnettu ja pitempään ulkoa ostettu lujuuslaskenta. Mallinnuksen avulla tuotteiden suunnittelu helpottuu, erityisesti kun laskenta ja simulointi tehdään suunnittelun alkuvaiheessa kuten konsepti-vaiheessa. Tällöin voidaan oleellisesti pienentää riskejä ja tarkastella muutaman erilaisen konseptin teknistä tehokkuutta. Ilman tätä suunnittelun myöhäisimmissä vaiheissa riskit huonoille valinnoille kasvavat. Pahimmassa tapauksessa suunnittelussa joudutaan tekemään isoja kompromisseja, pelkästään sen vuoksi, että ylletään edes tuotesuunnittelun ennalta määrättyihin spekseihin.
Varsin usein tuotekehityksessä joudutaan prototyyppikierteeseen, jossa ei meinata yltää standardien tai testien vaatimuksiin ja helposti markkinoilletuloaika venähtää kuukausilla. Laskennan ja simuloinnin hinta hukkuu jo yhteen ylimääräiseen prototyypin valmistukseen tai testikierrokseen, puhumattakaan myynnin menetyksistä ja asiakkaalle tehdyistä lupausten venymisistä. Suunnitteluprojektien vetäjät joutuvat tekemään kovia päätöksiä epäonnistumisien välttämisessä, väärien riskien ottaminen lipuu kuvaan.
- Haluatko muuttaa tuotekehityksesi peliä ja muuttaa yrityksesi strategiaa?
- Testata innovaatiota virtuaalisesti ennen patentointia?
- Optimoida lukuisia eri vaihtoehtoja, jopa ilman prototyyppejä?
- Vähentää omia ja asiakkaan riskejä?
- Tulkita, ymmärtää laitteen toimintaa paremmin ja vähentää/kohdentaa testausta, lisätä aikaa suunnittelussa?
- Parantaa laitteen suorituskykyä samalla vähentäen kuluja, säästää materiaali- ja energiakustannuksia?
Kaikki tämä ei välttämättä onnistu kerralla mutta moni asia onnistuu jo pelkästään sen vuoksi, että laitteesta on mahdollista saada yksinkertaistuksilla tehokkaampi, helpompi valmistaa ja käyttää, sekä myös pitkä-ikäisempi ja varmempi. Vältetään turhien arvausten tuomaa yli-suunnittelua ja varmuuksia, jotka eivät ole käsikaavoin edes perusteltavissa.
CFD-laskenta mahdollistaa tuotteen teknisen suorituskyvyn ja muutosten tarkan että nopean arvioinnin, jossa digitaalisella prototyypillä voidaan suunnitella mm. tarvittavat testit. Simuloinnilla voidaan ampua alas huonoimmat ideat ja kokeilla uusia keksintöjä. Laskennan avulla vältetään tuotteen kulumista ja rikkoontumista, saadaan laite turvallisemmaksi, vähennetään käyttökustannuksia sekä usein myös melua.
Laskenta ja mallinnus tukee mittaus- ja testaustoimintaa havainnollistamalla ilmiöitä ja mahdollistaa virtuaalisen testauksen jopa koko laitteen mittaskaalassa. Simuloinnin myötä tuotekehityksen investointikulut vähenevät ja laitteen suorituskyvyn arviointi tehostuu. Päätöksen teko selkiytyy ja tämä osaltaan parantaa mahdollisuuksia ottaa käyttöön parhaimmat ideat ja tekniset ratkaisut, jolloin riskit laitteen epäonnistumisessa markkinoilla pienenevät. Suunnitteluinsinööreille jää arvokasta aikaa miettiä tuotekehityksen muita ratkaisevia haasteita.
Mitä CFD-laskenta on?
CFD laskenta on pääsääntöisesti kaasu- ja nestevirtausten numeerista mallinnusta. Näiden fluidien simuloinnissa voidaan laskea myös kiintoaineiden, kuten hiukkasten kulkeutumista, mallintaa sähkökenttiä, nesteraja-pintoja, pyöriviä koneita, monifaaseja, aineen olomuodon muutoksia, lämmönsiirtoa, kuten lämmitystä ja jäähdytystä, jne.
Laskentatapaukset voivat olla esimerkiksi
- Vaativan ilmastoinnin analysointia, kuten myös puhdastilat, julkiset rakennukset
- Suuronnettomuusvaarojen arvointia (räjähdys, paine- ja meluvaikutukset, kaasumaisten aineiden leviäminen onnettomuuspaikalta)
- Tuulikuormien varmennusta ja vaikutusten arviointia haasteellisilla geometrioilla, aerodynaamisia tarkasteluja
- Elektroniikkasuunnittelun tuki, jäähdytysratkaisut, sähkökaapit, komponentit
- Prosessiteollisuuden laitteet, lämmönvaihtimet, konvektorit, öljy-, tuubikonvektorit, mustalipeälaitteet
- Sekoittimet, sekoitustehokkuus, turbulenssin voimakkuuden ja vaikutusten arvointi
- Lämmönsiirtoa, konvektio, konduktio, säteily, materiaalipaksuudet, lämmönjohtavuudet, likaantuminen lämmönsiirtokertoimet
- Kemikaalit, puolustusvoimien ja energiateollisuuden laitteet
- Autoteollisuuden laitteet, hiukkasloukut, katalysaattorit, pelkistys
- Dynaamisten ilmiöiden mallinnus, värähtelyt
- Virtauksien tasaisuus, painehäviöiden arviointi, virtauksen jakaminen, diffuusorit, reikälevyt
- Tuulitunnelikokeiden virtuaalinen korvaaminen, savunpoisto, konesalien jäähdytys
- FEM-laskennan tuki ja lähtötietojen tarkennus, myös kytketty laskenta
Toisinsanoen liki kaikkea neste- ja kaasuvirtauksia on mahdollista mallintaa.
Ota tekninen laskenta (CFD ja FEM) osaksi tuotekehitystäsi, tehdään se yhdessä! Kysy lisää mahdollisuuksista ja ota yhteys Ismo Talkaan (Virtauslaskenta, Protacon Descal Oy)
Kirjoittajalla on useamman vuoden työkokemus laskennallisen teknologian parissa, sekä insinööritoimistoissa, että suuremmissa teknologiayritysten tuotekehitysosastoissa.
Katso lisää täältä:
