Kun suomalainen start-up, SoundlyFit Oy, kohtasi haasteen nappikuulokkeiden ergonomian parantamisessa, he päättivät lähteä etsimään ratkaisuja yhdessä PLM Groupin asiantuntijoiden kanssa. Tämä yhteistyö johti mekaniikkasimulaation käyttöönottoon, joka on osoittautunut tehokkaaksi keinoksi nopeuttaa tuotekehitysprosessia ja tarjota suunnittelijoille selkeämmät näkemykset tuotteen mukavuuden optimoimiseksi.
Korkealaatuiset nappikuulokkeet, jotka tuntuvat mukavilta ja pysyvät tukevasti korvassa, asettavat erityisiä vaatimuksia niiden suunnittelulle. Lisäksi näiden kuulokkeiden on tarjottava ensiluokkaista äänentoistoa samalla kun ne kykenevät vaimentamaan ulkopuolisia ääniä. Tämän tasapainon saavuttaminen ei ole helppoa, sillä korvatyynyn on tiivistyttävä täydellisesti korvakäytävään, jotta äänet pysyvät sisällä eikä ulkopuolisia häiriöitä pääse sisään. Kuitenkin tämä tiiviyden ja mukavuuden vaatimus saattaa aiheuttaa ristiriitaisia haasteita suunnittelijoille.
Toisaalta jämäkkä korvatyyny voi tarjota vahvan otteen korvasta, mutta samalla se saattaa aiheuttaa liian voimakasta kontaktipainetta korvakäytävän herkälle iholle, mikä voi tuntua epämiellyttävältä pitkäaikaisessa käytössä. Toisaalta taas pehmeämpi korvatyyny voi tuntua lähes huomaamattomalta korvassa ja mukautua täydellisesti korvakäytävän muotoihin, mutta samalla sen pintapaine ja kitka saattavat olla riittämättömiä pitämään laitetta vakaasti paikallaan korvassa.
Perinteinen suunnitteluprosessi on aikaa vievää
Perinteisesti nappikuulokkeiden ja niiden korvatyynyjen suunnittelu on kulkenut polun, joka perustuu kokeilemisen ja virheiden kautta oppimiseen. Kehitysvaiheessa luodaan usein prototyyppejä, joita testataan subjektiivisten ergonomiatestien avulla. Testiryhmään kuuluvat henkilöt kokeilevat erilaisia prototyyppejä omiin korviinsa ja antavat niille arvosanoja niiden mukavuudesta ja käytettävyydestä. Tämän prosessin tavoitteena on tunnistaa parhaat ratkaisut jatkojalostusta varten.
Kuitenkin tällaisessa suunnitteluprosessissa on omat haasteensa: prototyyppien valmistaminen vie aikaa ja resursseja, testaamiseen on saatava riittävä määrä sopivia koehenkilöitä, ja testitulosten kerääminen ja analysointi ovat aikaa vieviä tehtäviä. Lisäksi ihmisen tuntoaisti ei aina ole riittävän tarkka erottamaan hienovaraisia epämukavuustekijöitä kuulokkeiden käytössä, erityisesti niissä kohdissa, jotka voivat tuntua epämiellyttäviltä.
Miten prosessi etenee simulointipohjaisessa suunnittelussa?
Kehitetyssä simulointiprosessissa on kaksi osaa. Näistä ensimmäinen on elementtimenetelmään (FEM) perustuva mekaniikkasimulointi, jolla selvitetään korvaan asetetun kuulokkeen ja tyynyn muodonmuutokset, sekä niiden korvaan kohdistuvat kontaktipaineet ja venytykset. Kun korvan ihoon tai rustoon kohdistaa ulkoista voimaa, syntyy muodonmuutoksia ja jännityksiä, joiden suuruus riippuu ulkoisten voimien suuruudesta. Mekaniikkamielessä ihmisen korva, iho ja rusto siis käyttäytyvät aivan samalla tavalla kuin teollisuuden valmistusmateriaalit ja tuotteet. Vastaava elementtimenetelmään perustuva insinöörilaskenta erilaisille rakenteille ja valmistusmateriaaleille onkin jokapäiväistä konepajateollisuuden tuotekehityksessä.
Mekaniikkasimulaation antamia fysikaalisia tuloksia käsitellään edelleen käyttäen SoundlyFitin kehittämää mukavuusmallia, joka tuo tulosten tarkasteluun mukaan ihmisen tulkinnan fysikaalisista aistimuksista, ja palauttaa lopputuloksena käyttäjän antaman mukavuusarvosanan kyseiselle laitteelle.
Todellisten ihmisten laserskannattuihin korvamalleihin on asetettu materiaalitiedot ja muut ominaisuudet siten, että korvan muodonmuutokset erilaisilla kuormituksilla vastaavat todellisesta korvasta mitattuja. Näin saadusta virtuaalikorvien kirjastosta voidaan nyt valita sopiva koehenkilöporukka virtuaaliseen ergonomiatestiin, esimerkiksi iän, etnisen taustan tai sukupuolen mukaan. Suunnitteluvaiheessa olevan nappikuulokkeen ja korvatyynyjen 3D malleihin asetetaan materiaaliominaisuudet, jonka jälkeen voidaan ergonomiatesti toteuttaa simuloimalla.
Korvan mekaniikkasimulointiin tuovat laskennallista haastavuutta suuret muodonmuutokset, kontaktit eri osien välillä, sekä epälineaariset materiaalit. Laskennat on tehty PLM Groupin edustaman Dassault Systèmes SIMULIA brändin Abaqus/Explicit ohjelmistolla, jonka päälle on tehty automaatiota siten, että laskentamallit halutuille korva-kuuloke-tyyny-yhdistelmille saadaan rakennettua helposti. Jakamalla laskentatehtävä 30 prosessoriytimelle saadaan yksi tapaus laskettua työasematason tietokoneella puolessa tunnissa. Näin ollen 20 henkilön, eli yhteensä 40 korvan virtuaalinen ergonomiatesti saadaan toteutettua alle vuorokaudessa. Fyysisillä prototyypeillä ja todellisilla koehenkilöillä tehtävään ergonomiatestiin verrattuna aikaa säästyy vähintään viikkoja, yleensä jopa kuukausia.
Kilwa Ärölä
Simulation Manager
Artikkeli on julkaistu alunperin Tekniikka & Talous kumppanisisällöissä 22.9.2023.
