Tietokoneavusteinen lujitemuoviosien suunnitteleminen : Catia V5 - Composites Design

Abstract

Tämä opinnäytetyö tehtiin Metropolia Ammattikorkeakoulun ja UPM:n Biofore Concept Car -hankkeeseen. Hanke lähti käyntiin vuonna 2010 ja Biofore-konseptiauto julkaistiin Geneven autonäyttelyssä vuonna 2014. Konseptiautossa on itsekantava hiilikuitukori ja siinä on muutenkin käytetty laajasti kuitukomposiittisia osia. Niiden suunnittelun on kehitelty useita erilaisia ohjelmia, mutta tässä työssä keskitytään Catian tarjoamaan vaihtoehtoon.

Tämän työn tavoitteena oli perehtyä Catia V5 -ohjelman Composites Design -alustaan ja luoda selkeät käyttöohjeet sitä varten sekä samalla suunnitella ja valmistaa mekaanisen pysäköintiavustimen hiilikuituiset rakenneosat. Käyttöohje on tarkoitettu suunnittelijoille, jotka osaavat jo käyttää Catian pintatyökaluja. Koska komposiittiosien suunnitteleminen vaatii niiden ominaisuuksien ja valmistustekniikoiden tuntemusta, niin työssä käydään myös niitä lyhyesti läpi.

Composites Design -alustaa käytettiin konseptiauton mekaanisen pysäköintiavustimen rakenteen suunnittelussa. Työssä käydään läpi sen suunnittelun ja valmistuksen työvaiheet aina lähtötilanteesta testivaiheeseen asti. Catiassa on laaja valikoima työkaluja, joten sillä suoritettiin kaikki suunnittelun työvaiheet pintamallinnuksesta aina rakenteen ja muottien suunnitteluun asti. Catian komposiittiosien suunnittelutyökalun todettiin soveltuvan erityisesti alustavien suunnitelmien tekemiseen, mutta suurempien kokonaisuuksien lujuustarkasteluille sen todettiin olevan liian raskas. Suurempia sarjoja varten sen avulla voidaan myös suunnitella tarkat kuitujen leikkaukset, minkä avulla voidaan nopeuttaa valmistusta, minimoida materiaalikulut ja arvioida osan ominaisuudet tarkemmin.

Työn yhteydessä suunniteltu mekaaninen pysäköintiavustin koekäytettiin autossa ja sen todettiin kestävän. Catian Composites Design -alustalle luotiin myös selkeä käyttöohje, joka on työssä liitteenä.

The Biofore Concept Car was built and designed by Helsinki Metropolia University students and it uses UPM’s new biomaterials to replace some of more traditional materials. The body is mainly made from the carbon fiber composite but it also contains some cellulose fiber composite as well. Most of the body panels are also made from the fiber composite materials. Various programs were developed to design the composite parts. This thesis concentrates on dealing with the Catia’s option.

The objective of this Bachelor’s thesis was to get familiar with the Composites Design workbench and to create a straightforward guide for designers, and to design and manufacture structural carbon fiber composite components for the parking assistant in the car. This guide was created for the designers who already know how to design surfaces with the Catia. Because the properties of composites differ from the more traditional materials, they are also dealt with briefly in this thesis.

The Composites Design workbench was also used to design the structural composite components of the mechanical parking assistant for the Biofore Concept Car. The design process is described phase-by-phase from the beginning phase to the testing phase. Catia has wide range of tools, and it was used from the preliminary design phase to the structural analysis and the mold designing phase. Composites Design workbench seemed to work best at the preliminary composites design phase, but Catia seemed to be quite heavy with the structural analysis at the bulkier components. For the larger series, the stacking can be designed with precise plies and darts, which makes the stacking faster and estimating the material costs more accurate.

As a result of this thesis the parking assistant was designed and it had a test run in the car. It seemed to handle the stress well. A manual for using the Catia Composite Design workbench was also created as a result of this thesis and it can be found in the appendix of this thesis.