Topologian optimoinnin soveltuvuus autoteollisuudessa

Abstract

Autoteollisuuden kehittyessä autoihin kohdistuvat vaatimukset ovat kiristyneet merkittävästi. Autoilta vaaditaan parempaa suorituskykyä ja pienempää polttoaineen kulutusta. Tehokas tapa pienentää polttoaineen kulutusta ja parantaa esimerkiksi ohjattavuutta on vähentää auton komponenttien massaa. Massan vähentäminen ei kuitenkaan saa heikentää auton turvallisuutta ajossa ja kolaritilanteissa. Rakenteiden keventämiseen on monia tapoja, joista yksi on topologian optimoinnin (engl. topology optimization, TO) hyödyntäminen komponenttien suunnitteluvaiheessa. Topologian optimoinnilla voidaan ratkaista kappaleelle optimaalinen materiaalijakauma, joka täyttää asetetut rajoitteet. Kuitenkin topologian optimoinnin hyödyntäminen on ollut autoteollisuudessa hyvin vähäistä. Tutkimuksen tavoitteena on selvittää, mitkä tekijät hidastavat topologian optimoinnin käyttöönottoa. Optimointi tuottaa usein muodoltaan monimutkaisia ja orgaanisen muotoisia kappaleita, minkä seurauksena ne on usein vaikea valmistaa perinteisillä valmistusmenetelmillä. Tämän takia työssä oletetaan, että kappaleet valmistetaan metallista 3D-tulostamalla. Tutkimus toteutettiin kirjallisuuskatsauksena. Erityisesti 3D-tulostamiseen liittyvissä lähteissä huomioitiin julkaisujen ajankohtaisuus. Lähteitä kerätessä havaittiin, että 3D-tulostamisen käytöstä autojen massatuotannossa oli tutkittu aiemmin vain vähän. On myös todennäköistä, että autovalmistajien tuottamaa tutkimusta aiheesta ei ole julkisesti saatavilla. Työssä huomattiin kiinnostuksen topologian optimointia kohtaan kasvaneen lisäävän valmistuksen kehittyessä. Vaikka myös perinteisten valmistusmenetelmien suunnittelurajoitteiden huomioimista topologian optimoinnissa on tutkittu, on niiden toteutus kaupallisesti saatavilla olevissa ohjelmistoissa harvinaista. Monimutkaiset kappaleet, jotka olivat ennen lähes mahdottomia valmistaa, on kuitenkin mahdollista valmistaa 3D-tulostimilla. Tutkimuksessa havaittiin topologian optimoinnin suurimpia haasteita olevan kappaleiden vaikeasti valmistettava muoto, sekä teollisuudessa käytettävien ohjelmistojen rajallisuus. Käyttöönottoa vaikeuttaa myös osaavan henkilökunnan puute. 3D-tulostuksen suurimpana ongelmana massatuotannossa pidetään edelleen valmistuksen kallista hintaa perinteisiin valmistusmenetelmiin verrattuna. Tulostettavien kappaleiden pinnanlaatu ja geometrinen tarkkuus ei myöskään ole vielä teollisuuden vaatimalla tasolla. Topologian optimoinnin yhteydessä ongelma korostuu, sillä vapaamuotoisten kappaleiden toleransseja on vaikea arvioida, eikä alalla ole toistaiseksi vallitsevia standardeja. Tulostustekniikka on kuitenkin edistynyt lähivuosina merkittävästi ja suurta edistystä on tehty esimerkiksi tulostusnopeuden saralla. Autonvalmistajat ovat osoittaneet kiinnostusta 3D-tulostusta kohtaan, ja sitä on jo käytetty myös lopullisten komponenttien valmistukseen. Tekniikan kehittyessä on mahdollista, että myös topologian optimointi pääsee yleistymään autoteollisuudessa.