Mekaniikkasuunnittelu on koneiden, laitteiden ja niiden osien mekaanisten rakenteiden suunnittelua käyttäjän tarpeesta ja vaatimuksista aina valmistus- ja kokoonpanopiirustuksiin asti. Se on kattotermi, johon kuuluvat koneensuunnittelu, laitesuunnittelu ja koneenosien suunnittelu. Mekaniikkasuunnittelija sovittaa yhteen toiminnan, lujuuden, turvallisuuden, valmistettavuuden ja kustannukset niin, että laite voidaan valmistaa ja ottaa käyttöön ilman yllätyksiä.
Teemme Hefmecillä mekaniikkasuunnittelua tuotantovälineisiin, nostoapuvälineisiin, erikoiskoneisiin, teräsrakenteisiin ja asiakkaidemme tuotekehitykseen. Tässä artikkelissa kerromme, mitä mekaniikkasuunnittelu käytännössä kattaa, mitä suunnittelija tekee ja milloin suunnittelu kannattaa ostaa talon ulkopuolelta.
Mitä mekaniikkasuunnittelu kattaa?
Mekaniikkasuunnittelu jaetaan usein sen mukaan, mitä suunnitellaan. Arkikielessä termit menevät päällekkäin, mutta jako auttaa rajaamaan, millaista osaamista projekti tarvitsee.
| Termi | Mitä suunnitellaan | Esimerkkejä projekteistamme |
|---|---|---|
| Mekaniikkasuunnittelu | Kattotermi kaikelle mekaanisten rakenteiden suunnittelulle | – |
| Koneensuunnittelu | Koneet, joissa on liikkuvia osia, toimilaitteita ja ohjausta | Venttiilin koeponnistuslaite, ajoneuvo-osien kokoonpanosolun erikoistyökalut |
| Laitesuunnittelu | Tuotannon laitteet ja apuvälineet | Ajoneuvon akun levyosien hitsausjigi, puhdastiloihin soveltuva formaattiosakärry |
| Koneenosien suunnittelu | Yksittäiset osat ja niiden liitokset | Käsivarsirobotin gripperit ajoneuvon osille |
| Rakennesuunnittelu | Kantavat teräs- ja alumiinirakenteet | Tuotantolaitteita kannattavat teräsrakenteet, tuulivoimalan huoltotilan kannattimet |
Sama projekti sisältää usein useita näistä. Erikoiskone tarvitsee koneensuunnittelua, sen runko lujuuslaskentaa ja sitä kannatteleva teräsrakenne rakennesuunnittelua. Koneensuunnittelun vaiheista kerromme tarkemmin artikkelissa Mitä koneensuunnittelu on ja miten projekti etenee?
Mitä mekaniikkasuunnittelija tekee?
Mekaniikkasuunnittelijan työ alkaa ennen CAD-mallia. Suunnittelija selvittää ensin, mitä laitteen pitää tehdä, missä ympäristössä ja millaisilla kuormilla, ja vasta sen jälkeen, miltä laite näyttää. Tyypillisiä tehtäviä ovat
- vaatimusten tulkinta ja tarkentaminen yhdessä tilaajan ja laitteen käyttäjien kanssa
- konseptivaihtoehtojen laatiminen ja vertailu
- 3D-mallinnus ja kokoonpanojen rakentaminen
- mitoitus ja tarvittaessa lujuuslaskenta
- valmistus- ja kokoonpanopiirustukset, osaluettelot ja toleranssit
- standardikomponenttien ja toimilaitteiden valinta
- valmistuksen, kokoonpanon ja käyttöönoton tukeminen
- teknisen dokumentaation laatiminen, esimerkiksi CE-merkintää varten.
Hyvä mekaniikkasuunnittelija ei optimoi yhtä ominaisuutta muiden kustannuksella. Kevyempi rakenne voi vaatia kalliimman materiaalin tai vaikeamman hitsauksen, ja tiukempi toleranssi voi parantaa toimintaa mutta nostaa koneistuksen hintaa. Suunnittelijan tehtävä on tunnistaa nämä ristiriidat ja ratkaista ne laitteen käyttötarkoituksen kannalta järkevästi.
Miten mekaniikkasuunnitteluprojekti etenee?
Projekti etenee tyypillisesti vaiheittain: vaatimusmäärittely, konseptisuunnittelu, detaljisuunnittelu, mitoitus ja todentaminen, valmistusdokumentaatio sekä valmistuksen ja käyttöönoton tuki. Vaiheiden järjestys on tärkeämpi kuin niiden nimet. Kun vaatimukset ja konsepti on lukittu ennen detaljisuunnittelua, muutokset tehdään vielä vaiheessa, jossa ne ovat nopeita ja edullisia.
Kävimme vaiheet läpi koneensuunnittelun näkökulmasta artikkelissa Mitä koneensuunnittelu on ja miten projekti etenee? Sama eteneminen pätee laite- ja rakennesuunnitteluun.
Mihin mekaniikkasuunnittelun päätökset vaikuttavat?
Suunnittelupöydällä tehdyt valinnat ratkaisevat suuren osan siitä, mitä laite maksaa ja miten se toimii koko käyttöikänsä.
- Valmistettavuus: jos hitsausjärjestys, koneistettavien pintojen saavutettavuus tai kokoonpanojärjestys huomioidaan vasta piirustusvaiheessa, rakennetta joudutaan muuttamaan silloin, kun muutokset ovat jo hitaita ja kalliita. Siksi valmistus kannattaa ottaa mukaan jo konseptivaiheessa.
- Kustannukset: materiaali, osien määrä, toleranssit ja standardikomponenttien käyttö määräävät valmistuskustannuksen. Liian tiukka toleranssi nostaa hintaa ilman toiminnallista hyötyä, liian väljä voi aiheuttaa kokoonpano- tai toimintaongelmia.
- Turvallisuus: suojaukset, liikealueet ja käyttölogiikka vaikuttavat koneen perusrakenteeseen. Kun riskinarviointi tehdään suunnittelun aikana eikä vasta valmiille rakenteelle, turvallisuusratkaisut ovat osa rakennetta eivätkä jälkikäteen lisättyjä.
- Huollettavuus ja elinkaari: jos kuluvan osan vaihto vaatii muun rakenteen purkamista, jokainen huoltokatko pitenee koko laitteen käyttöiän ajan.
Millä työkaluilla mekaniikkasuunnittelua tehdään?
Käytämme 3D-suunnittelussa asiakkaan ympäristön mukaan SolidWorksia, Creoa, Siemens NX:ää, CATIAa ja Inventoria. Kun suunnittelemme samalla ohjelmistolla kuin asiakkaan oma tuotekehitys, mallit ja piirustukset siirtyvät asiakkaan järjestelmään ilman muunnoksia.
Mitoituksen tukena ovat käsinlaskenta ja FEM-laskenta. Käsinlaskenta riittää usein yksinkertaisille rakenteille, kun taas monimutkaisessa geometriassa ja liitoksissa FEM-analyysi näyttää, miten jännitykset jakautuvat. Lujuuslaskennan roolista kerromme artikkeleissa Mitä on lujuuslaskenta? ja Mikä on FEM-laskenta ja milloin sitä tarvitaan?
Työkalu ei kuitenkaan tee suunnitelmasta hyvää. CAD-malli voi olla geometrisesti virheetön ja silti vaikea valmistaa, ja FEM-tulos on vain niin luotettava kuin sen kuormat ja reunaehdot.
Mitkä ovat tyypillisiä virheitä mekaniikkasuunnittelussa?
Monet suunnitteluvirheet eivät synny laskennassa vaan päätöksissä, jotka tehdään liian aikaisin tai liian myöhään. Tyypillisiä ovat
- detaljisuunnittelu aloitetaan ennen kuin vaatimukset on lukittu
- ensimmäinen toimiva idea viimeistellään vertaamatta sitä muihin konsepteihin
- valmistus ja kokoonpano otetaan mukaan vasta piirustusvaiheessa
- toleranssit kopioidaan aiemmista piirustuksista ilman toiminnallista perustetta
- huolto- ja asennustilaa ei varata, jolloin laite on hankala asentaa ja huoltaa.
Milloin mekaniikkasuunnittelu kannattaa ulkoistaa?
Ulkoistaminen kannattaa, kun
- oma suunnittelukapasiteetti ei riitä projektin aikatauluun
- projekti vaatii osaamista, jota omassa tiimissä ei ole, esimerkiksi lujuuslaskentaa tai CE-dokumentointia
- tarve on kertaluonteinen, eikä oman suunnittelijan palkkaaminen ole perusteltua
- suunnittelu ja valmistus halutaan saman toimijan vastuulle.
Ulkoistettu suunnittelu toimii parhaiten, kun tilaaja on mukana vaatimusmäärittelyssä ja konseptin valinnassa. Sen jälkeen detaljisuunnittelun voi antaa suunnittelijan vastuulle. Koska suunnittelemme ja valmistamme myös itse, otamme valmistettavuuden huomioon jo suunnitteluvaiheessa.
Esimerkiksi Marioffille olemme tehneet vuodesta 2017 luonnoksista 3D-malleja ja valmistuspiirustuksia. Valmet Automotiven esisuunnitteluprojektissa suunnittelimme golfauton rungon hitsausprosessit ja sen jälkeen hitsausjigit tiiviissä yhteistyössä tuotesuunnittelun kanssa, jolloin tuotteesta tuli valmistusystävällinen.
Jäikö sinulla kysyttävää?
Kerromme mielellämme, miten mekaniikkasuunnittelu sopisi teidän projektiinne. Lisätietoa löydät mekaniikkasuunnittelupalvelumme sivulta, ja voit olla suoraan yhteydessä palvelupäällikköömme:
Mika Julin, palvelupäällikkö, projekti- ja asiantuntijapalvelut, puh. +358 40 708 4567, mika.julin@hefmec.com
