Hvordan kan ergonomien til ørepropper forbedres av mechanics simulation?

Kilwa Äröla
Simulation Manager

Da den finske oppstartsbedriften SoundlyFit Oy møtte på utfordringer rundt det å forbedre ergonomien til ørepropper, bestemte de seg for å se etter løsninger sammen med PLM Groups eksperter. Dette samarbeidet førte til introduksjonen av mechanics simulation, som har vist seg å være en effektiv metode for å sette fart på produktutviklingsprosessen og gi designere et klarere bilde av hvordan de kan optimalisere et produkts komfortnivå.

Det kreves mye av designet for å lage ørepropper av høy kvalitet som føles komfortable og forblir på plass i øret. I tillegg tilbyr disse øreproppene førsteklasses lydkvalitet, samtidig som de kan fjerne omgivelseslyd. Denne balansen er ikke lett å oppnå fordi puten inni øret må forsegle ørekanalen helt, og forhindre at ekstern interferens kommer inn. Kravene til både tetthet og komfort kan føre til at det er utfordrende å få designet helt rett.

Ørepropper og 3D-modeller av øreputer i størrelse S, M og L klare for mechanical simulation.

På den ene siden kan en stiv ørepute sørge for at øreproppen sitter godt fast i øret, men en slik løsning kan også legge for mye kontakttrykk på den delikate huden i ørekanalen. Det vil etter langvarig bruk føles svært ukomfortabelt. På den andre siden kan en mykere ørepute føles som om den ikke sitter i ørekanalen i det hele tatt, men overflatetrykket og friksjonen strekker ikke nødvendigvis til for å holde enheten på plass i øret.

Den tradisjonelle designprosessen krever mye tid

Tradisjonelt sett har det å designe ørepropper vært en prosess basert på prøving og feiling. I utviklingsfasen lages ofte prototyper og undergår ulike ergonomitester. Medlemmene av testgruppen prøver ulike prototyper i deres egne ører, og rangerer dem ut i fra komfort og brukervennlighet. Denne prosessen prøver å identifisere de beste løsningene som kan utvikles videre.

Det finnes imidlertid utfordringer med en slik designprosess. Utarbeiding av prototyper krever tid og ressurser, og det er viktig å få tak i et passende antall testpersoner, for deretter å samle inn og analysere testresultatene. I tillegg er ikke følesansen alltid nøyaktig nok til å skille ut små, ukomfortable aspekter ved bruk av ørepropper, særlig der det kan bli ukomfortabelt over tid.

På slutten av simulasjonen er øreproppen på plass i øret.

Hvordan fungerer en simulasjonsstyrt designprosess?

Simulasjonsprosessen har to deler. Den første er en mechanics simulation basert på FEM for å stadfeste deformasjonen til øreproppen og puten plassert i øret, samt kontaktområder og belastningene på øret. Når en ekstern kraft påføres hud eller brusk, vil det føre til deformasjoner og stress – omfanget avgjøres av hvor kraftige de eksterne påvirkningene er. Innenfor mekanikk vil øret, huden og brusken ha like egenskaper som industrielle materialer og produkter. De korresponderende beregningene for ulike strukturer og materialer basert på endelige elementmetoder (FEM) vil derfor være lette å finne innenfor produktutvikling i ingeniørbransjen.

De fysiske resultatene fra denne simulasjonen behandles deretter videre ved bruk av en komfortmodell utarbeidet av SoundlyFit. Denne modellen tar for seg den menneskelige tolkningen av fysiske fornemmelser, og regner ut en komfortrangering for enheten.

3D-modell av den nye hodetelefonen under revidering, der den har blitt tilpasset til ørene på forskjellige mennesker. Utvalget av ørene som testes på må være mange nok, slik at de er statistisk representative for hele populasjonen.

Områder der det kan bli ukomfortabelt for brukeren er illustrert i sort, slik at designeren enkelt kan se hvor designet bør forbedres.

Materialdata og andre egenskaper til de laserskannede øremodellene i testutvalget er lagt inn slik at deformasjonene i det virtuelle øret under ulike belastninger samsvarer med de som måles i et ekte øre. Biblioteket med virtuelle ører kan nå brukes til å finne et passende utvalg med testpersoner for en virtuell test av ergonomi. Man kan for eksempel basere utvalget på en blanding av alder, etnisitet og kjønn. 3D-modellene til øreproppen og øreputene i designfasen vil utstyres med materialegenskaper, og deretter gjennomgå en ergonomitest.

Beregningsutfordringer ved mechanics simulation av ører inkluderer store deformasjoner, kontakt mellom ulike deler og ikke-lineære materialer. Beregningene har blitt utført ved bruk av programvaren Abaqus/Explicit fra SIMULIA-varemerket til Dassault Systèmes, av PLM Groups eksperter. Det ble lagt på automasjon slik at beregningsmodellene for den ønskede øre-i-øre kombinasjonen for putene enkelt kan bygges. Ved å distribuere beregningen over 30 prosessorkjerner, kan 1 case bli beregnet på omtrent en halvtime. Dette betyr at en virtuell ergonomitest på 20 mennesker, altså 40 ører totalt, kan gjennomføres på mindre enn 24 timer. Sammenlignet med en ergonomitest på fysiske prototyper og prøvepersoner sparer man ukesvis med arbeid, om ikke måneder.