Monessa tuotekehitysprojektissa materiaalivalinta tehdään varhaisessa vaiheessa – usein ennen kuin valmistettavuutta ehditään arvioida kunnolla. Silloin lähtökohdaksi valitaan helposti metalli, koska sen ominaisuudet tunnetaan hyvin ja suunnittelukäytännöt ovat vakiintuneita. Käytännössä kuitenkin yhä useampi komponentti voidaan valmistaa toimivasti myös muovista.

Kun muovi huomioidaan vaihtoehtona riittävän aikaisin, voidaan usein keventää rakennetta, vähentää kokoonpanoa ja yksinkertaistaa valmistusta ilman että tuotteen toiminnallisuus heikkenee.
Tässä artikkelissa käymme läpi, milloin kannattaa ainakin arvioida metalliosa valmistettavuus muovista.

 

 

Materiaalivalinnat tehdään monessa projektissa edelleen pitkälti periaatteella ”tehdään niin kuin aina ennenkin”. Metalliratkaisut ovat olleet vuosikymmeniä suunnittelun lähtökohta usein siitä syystä, että niiden ominaisuudet tunnetaan hyvin ja suunnittelukäytännöt ovat vakiintuneita.

Metalliosien käyttöön päädytään usein yksinkertaisesti siitä syystä, että muovin mahdollisuuksia ei tunneta vielä riittävästi eikä suunnittelijoilla ole välttämättä käytettävissä tietoa muovituotantomenetelmistä ja muovimateriaaleista.

Muovimateriaalit kehittyneet

Muovimateriaalit ovat kehittyneet viime vuosina merkittävästi ja uusia teknisiä materiaaleja on jatkuvasti saataville. Markkinoille on tullut materiaaleja, joilla on teknisiä ominaisuuksia, joita aiemmin ei ollut saatavilla: parempaa lujuutta, lämpötilankestoa, kemikaalinkestoa sekä mittapysyvyyttä ja mittatarkkuutta. Tämä on laajentanut muovin käyttömahdollisuuksia huomattavasti myös teknisesti vaativiin sovelluksiin.

 

Testaa. Voiko osa olla muovia?

Et tarvitse vielä tarkkoja materiaalitietoja.

Jos tunnistat useamman kohdan alla olevasta listasta, muovi kannattaa yleensä ottaa mukaan materiaalivaihtoehtojen tarkasteluun jo suunnitteluvaiheessa:

• Osa on kotelo, säiliö, kanava, suojus tai muu tilavuudeltaan suuri mutta kuormitukseltaan maltillinen rakenne.
• Rakenteessa on onttoja tiloja, ilman- tai nesteen kulkua, tai kappale toimii suojarakenteena tai kuorena rungon ympärillä.
• Metalliosaa joudutaan hitsaamaan, tiivistämään tai kokoamaan useasta osasta yhtenäiseksi rakenteeksi.
• Painolla on merkitystä käytössä (liikkuvat koneet, käsiteltävät laitteet, ergonomia tai energiatehokkuus).
• Metalliosa ei altistu jatkuvasti erittäin korkeille lämpötiloille tai voimakkaalle kulutukselle.

 

Materiaalivalinta tuotekehityksen alkuvaiheessa

Materiaalivalinnat tehdään tyypillisesti jo tuotekehityksen alkuvaiheessa, ja yksi keskeisistä kysymyksistä on, valmistetaanko osa metallista vai muovista.

Muovivalmistuksen asiantuntijoita kannattaa hyödyntää jo mahdollisimman aikaisessa suunnittelun vaiheessa, jotta tuotesuunnittelu lähtee oikeille raiteille. Muovituotteen suunnittelussa on hyvä ottaa alusta saakka huomioon muovituotantomenetelmät, käyttökohteeseen soveltuva muoviraaka-aine ja valmistettavuus, jotta tuotteesta saadaan kustannustehokas ja teknisesti toimiva ratkaisu.

Metallien ominaisuudet tunnetaan laajasti ja suunnittelukäytännöt ovat vakiintuneita, kun taas muovimateriaalien laaja valikoima ja materiaalikohtaiset erot edellyttävät usein tarkempaa tarkastelua. Lisäksi materiaalivalintaan liittyy aina toiminnallinen vastuu, joten vaihtoehtoja tulee arvioida huolellisesti.

Kun muovimateriaali valitaan käyttökohteen vaatimusten perusteella, se tarjoaa usein mahdollisuuden toteuttaa teknisesti monipuolisia ja integroituneita ratkaisuja. Siksi muovin tarkastelu yhtenä materiaalivaihtoehtona jo suunnittelun alkuvaiheessa laajentaa käytettävissä olevia ratkaisuja ja antaa enemmän suunnitteluvapautta.

 

Muovit ovat laaja teknisten materiaalien ryhmä

Arjessa muovista puhutaan joskus hieman kärjistäen ”ämpärimuovina”, jolloin mielikuva liittyy lähinnä kulutustuotteista tuttuun perusmuoviin ja rajalliseen kuormituskestävyyteen. Todellisuudessa muovit muodostavat laajan materiaaliryhmän, jonka ominaisuudet vaihtelevat merkittävästi käyttökohteen ja materiaalivalinnan mukaan.

Muovien ominaisuuksia voidaan esimerkiksi suunnitteluvaiheessa räätälöidä siten, että:

• joustavuus ja jäykkyys vastaavat käyttökohteen vaatimuksia
• pintakovuus ja kitkaominaisuudet saadaan halutulle tasolle
• sähkönjohtavuutta tai eristävyyttä voidaan hallita
• materiaali kestää kylmää, kuumaa, kosteutta ja kemikaaleja

Muovi ei ole yksi materiaali, vaan laaja joukko erilaisia teknisiä materiaaleja, joilla voidaan ratkaista hyvin erilaisia suunnitteluhaasteita.

Muovi ei ole yksi materiaali, vaan laaja joukko erilaisia teknisiä materiaaleja.

 

Painon vaikutus käytettävyyteen ja rakennesuunnitteluun

Metallia kannattaa käyttää siellä, missä tarvitaan suurta kuormitusta, korkeita lämpötiloja ja kulutuskohteissa. Muovia taas hyödynnetään siellä, missä voidaan säästää painoa.

Erityisesti käsiteltävissä tuotteissa jokainen gramma merkitsee, ja materiaalivalinnalla voidaan vaikuttaa merkittävästi käyttökokemukseen. Muovilla rakenteita voidaan keventää ilman kompromisseja toiminnallisuudessa, ja samalla avautuu enemmän vapautta toteuttaa ergonomisia ratkaisuja sekä käyttäjäystävällisiä muotoja. Kahvat, tartuntapinnat ja miellyttävä kosketustuntuma voidaan suunnitella suoraan osaan tavalla, joka on metallilla usein rajoitetumpaa.

Lisäksi liikkuvissa työkoneissa painon vähentäminen on tärkeää teknisistä ja taloudellisista syistä. Mitä kevyempi kone on, sitä pienempi on polttoaineenkulutus ja sitä kautta saavutetaan alemmat käyttökustannukset ja pienemmät päästöt. Koneen keventyessä voidaan helpottaa sähkömoottorin käyttöä polttomoottorin sijaan ja monessa tapauksessa se on jopa edellytys järkevälle sähköistykselle.

Kun kone painaa vähemmän, akkujen kapasiteettitarve pienenee ja sähkömoottorin tehovaatimus pienenee. Energiankulutuksen pienentyessä samalla akulla saadaan työaikaa pidennettyä. Muovikomponentit ovat yksi tehokas keino saavuttaa koneen keventäminen ilman että koneen toiminnallinen suorituskyky heikkenee.

 

Muovin kustannustehokkuus massatuotannossa

Korvaamalla metallituotteita muovituotteilla, voidaan saada teollisuudessa aikaan merkittäviä kustannussäästöjä. Monet tekniset muovit ovat kilohinnaltaan halvempia kuin erikoisteräkset ja sama kappale voidaan valmistaa pienemmällä massalla.

Muovikomponenttien valmistus perustuu tyypillisesti massatuotantomenetelmiin, joissa osa valmistuu yhdellä tuotantovaiheella suoraan lopulliseen muotoonsa. Tämä vähentää erillisten valmistus-, kokoonpano- ja jälkikäsittelyvaiheiden tarvetta, joita metallikomponenteissa usein tarvitaan enemmän.

Kokonaiskustannusten näkökulmasta merkittävimmät säästöt syntyvät erityisesti silloin, kun rakenteita voidaan yksinkertaistaa ja työvaiheita vähentää. Muovilla voidaan integroida kiinnikkeet, tehdä snap-fit-liitoksia, vähentää ruuveja ja pultteja sekä poistaa erilaisia tiivisteitä.  Muovivalmistus mahdollistaa:

• Monimutkaiset muodot yhdellä valmistusvaiheella
• Useiden osien yhdistämisen yhdeksi kappaleeksi
• Vähemmän kokoonpanotyötä
• Vähemmän varastoitavia komponentteja

Tämän vuoksi muovin kustannushyötyä kannattaa tarkastella yksittäisen kappalehinnan sijaan koko rakenteen ja valmistusprosessin tasolla.

Muovikomponentti täsmäratkaisuna käyttökohteeseen

Muovimateriaaleilla komponentti voidaan suunnitella tarkasti käyttökohteen vaatimusten mukaiseksi. Rakenteeseen voidaan toteuttaa suoraan kiinnitykset, jäykisteet, ohjurit ja lukitukset, jotka metalliratkaisuissa muodostuisivat usein useista erillisistä osista ja työvaiheista. Samalla materiaalin ominaisuuksia voidaan valita siten, että lujuus, joustavuus, pintarakenteet ja muut toiminnalliset vaatimukset vastaavat juuri kyseisen sovelluksen tarpeita.

Metalliratkaisuissa mitoitus tehdään monesti varman päälle laajaa kuormitus- ja käyttöympäristöä ajatellen. Muovilla voidaan sen sijaan toteuttaa optimaalinen ratkaisu, jossa rakenteeseen suunnitellaan juuri tarvittava suorituskyky ilman ylimitoitusta. Tämä voi näkyä kevyempänä rakenteena, yksinkertaisempana valmistuksena ja tarkoituksenmukaisempina toiminnallisina yksityiskohtina.

Hyvä esimerkki ovat laitteiden kotelorakenteet. Teräskotelo tarjoaa erittäin laajan suojatason, mutta monissa käyttökohteissa oikein valittu muovikotelo täyttää kaikki toiminnalliset vaatimukset ja mahdollistaa samalla kevyemmän rakenteen, integroidut kiinnitysratkaisut sekä helpomman käsiteltävyyden.

 

Muotoiltavuus ja pintaratkaisut osana toiminnallisuutta

Muovin hyvä muotoiltavuus antaa suunnittelijalle mahdollisuuksia, joita metallilla on usein vaikeampi toteuttaa. Orgaaniset muodot, rakenteelliset jäykisteet, virtausohjaukset ja erilaiset toiminnalliset pinnat voidaan integroida suoraan osaan ilman erillisiä työvaiheita. Tämä mahdollistaa kevyemmät rakenteet sekä paremmin käyttötarkoitukseen optimoidut komponentit.

Myös visuaaliset ja tuntumaan liittyvät ominaisuudet syntyvät usein jo valmistusvaiheessa. Värit voidaan lisätä suoraan raaka-aineeseen, ja pinnan kiilto tai karheus voidaan määrittää työkalusuunnittelussa ilman jälkikäsittelyä. Ulkonäkö ei ole pelkästään esteettinen tekijä, vaan se vaikuttaa tuotteen käytettävyyteen, hahmotettavuuteen ja käyttökokemukseen.

 

 

Muovin kestävyys vaativissa käyttöympäristöissä

Muovi ei ruostu, ja oikein valittuna se kestää hyvin kosteutta, kemikaaleja, iskuja sekä monia vaativia käyttöympäristöjä. Materiaalivalinnan merkitys korostuu erityisesti teollisissa sovelluksissa, joissa ympäristöolosuhteet voivat vaihdella merkittävästi.

Käytännön esimerkkejä löytyy runsaasti. Syväkeräysastioiden mekanismiosissa käytettävät muovikomponentit kestävät useiden tonnien vetokuormia, ja muovikomposiiteista valmistetut kaivonkannet sekä rakenteet on suunniteltu kestämään raskaan liikenteen kuormitusta. Oikein suunniteltuna muovi ei siis ole kevyempi vaihtoehto kestävyyden kustannuksella, vaan monissa käyttökohteissa täysin suorituskykyinen ratkaisu.

Oikein suunniteltuna muovi ei ole kevyempi vaihtoehto kestävyyden kustannuksella, vaan monissa käyttökohteissa täysin suorituskykyinen ratkaisu.

Muovimateriaalit ja kierrätettävyys suunnittelussa

Vastuullisuus on yhä useammin osa teknistä päätöksentekoa, ja myös materiaalivalinnoilla on tässä merkittävä rooli. Muovien kohdalla tämä näkyy laajana materiaalivalikoimana, kierrätysmuovien lisääntyvänä hyödyntämisenä sekä mahdollisuutena huomioida tuotteen elinkaari jo suunnitteluvaiheessa.

Muovit eivät ruostu, vaadi maalausta, ne kestävät maalausta ja vaimentavat tärinää. Suunnitteluratkaisuilla voidaan vaikuttaa merkittävästi esimerkiksi käytettävän materiaalin määrään ja tuotteen käyttöikään.

Muovituotteet vaativat vähemmän huoltoa ja niillä on pidempi käyttöikä tietyissä kohteissa. Kun rakenteet optimoidaan oikein ja materiaali valitaan käyttökohteen mukaan, voidaan saavuttaa sekä teknisesti toimiva että resurssitehokas lopputulos.

 Metallin korvaaminen muovilla ei ole itseisarvo. Parhaat lopputulokset syntyvät silloin, kun muovi arvioidaan yhtenä varteenotettavana materiaalivaihtoehtona.

 

Voisiko muovi parantaa tuotteesi rakennetta?

Metallin korvaaminen muovilla ei ole itseisarvo. Parhaat lopputulokset syntyvät silloin, kun muovi arvioidaan yhtenä varteenotettavana materiaalivaihtoehtona. Silloin avautuu uusia mahdollisuuksia kevyempään, kustannustehokkaampaan ja toiminnallisesti parempaan lopputulokseen.

Optimaalisessa muoviratkaisussa käytetään oikeaa muovia oikeassa paikassa. Haluatko arvioida, voisiko muovi toimia vaihtoehtona teidän tuotteessanne?

Lähetä piirustus tai 3D-malli, arvioimme soveltuvuuden.