rapport - ikotd1.files.wordpress.com · utformning i första processteget med endast bockning som...

IKOT D1 | tisdag den 21 april 2009

0

D1

Steg 7 Konstruera konceptet, del 2


1

7.2 Inledning

När alla delsystem nu har utformats översiktligt och deras funktioner definierats i detalj är det dags att

slutgiltigt dimensionera alla ingående komponenter och optimera deras design med avseende på

tillverkningsbarhet, ekonomi och monteringsbarhet. Detta görs enligt arbetsgång föreslagen i

”Instruktion för tillverknings- och kostnadsberäkningsaspekter i IKOT-kursen” (Pater Almström,

Gustav Holmqvist) i vilken ”Process selection: From design to manufacture” (K.G.Swift, 2003) (vilken

benämns ”Swift” i fortsättningen av texten)används för att beräkna de olika kostnadsslagen, vilket görs

genom att hänsyn tas till hur olika designparametrar påverkar tillverkningskostnaden.

Nedan följer, i ordning enligt arbetsgång tidigare nämnd, de olika stegen för att ta fram den slutgiltiga

utformningen av dammtätningen.

7.2.1 Detaljkonstruktion

Genom att utgå från mått på ritningar över befintliga konkrossar i Sandviks sortiment och att efter

noggrant ha övervägt varje delsystems slutgiltiga storlek skapades en virtuell modell av konceptet.

Resultatet framgår nedan.

7.2.1.1 CAD-modell

figur 7.2.1 – Ritning av koncept


2

7.3 Produktionsanpassning och kostnadsuppskattning

Med hjälp av arbetsgången omnämnd i 7.2 – Inledning följer nedan framtagning och beräkningar av

kostnaderna för att tillverka dammtätningen.

7.3.1 Part-count analysis

I ett försök att minimera antalet komponenter i konstruktionen ställs följande tre frågor (efter vilka

resonemang och analys följer) för att sålla fram komponenter som eventuellt kan integreras med

övriga konstruktionen:

1. När produkten är i bruk, rör sig delar relativt varandra?

Bassängen är integrerad i stenkrossen och står på så sätt hela tiden still. Däremot rör sig ringen

relativt bassängen, då den är fäst i stödkonan som rör sig i sidled, roterar och även höjs. Mellan dessa

två komponenter finns även vattnet som rör sig relativt både bassäng och ring. Utöver detta cirkulerar

även vattnet i omloppet genom ledningar, filter och pump.

2. Måste närliggande delar vara gjorda av olika material?

Ledningar till pumpen från avloppet konstrueras lättast i gummi för flexibilitet och för att inte få

ytterligare korrosion i konstruktionen. Både pumpen och avloppets material kommer vara i kontakt

med ledningar av metall. Borsten arbetar mellan bassäng och ring, vilka består av metall. Däremot

borsten tillverkas av någon slags polymer, för böjlighet och styvhet. Själva ringen kan inte konstrueras

i ett enda material, utan själva nedre ringen som flyter i vattnet kommer lämpligast att konstrueras i

aluminium. Damasken behöver flexibilitet och möjlighet att sträcka ut sig och tillverkas därför i någon

slags polymer. Utöver detta kommer även förbanden som fäster damasken att vara metall.

3. Om olika komponenter kombinerades skulle det bli svårare att reparera, tillverka eller montera?

Entydigheten och monteringsmöjligheten minskar om t.ex. ledningar, pump och avlopp tillverkas som

en enda enhet p.g.a. dels otymplighet vid tillverkningen och dels svåråtkomlighet vid monteringen.

Utan integration uppstår därför mindre problem. Bassängen och ringen skulle inte kunna utföra sina

rörelser relativt varandra om dessa skulle kombineras.

Sammantaget av ovanstående frågeställning och resonemang fås att inga komponenter kan eller bör

elimineras.

7.3.2 Materialval

Då bassängens utformning kommer att vara grov (d.v.s. rejäl geometri) och eventuellt relativt

överdimensionerad med avseende på hållfasthet finns ingen anledning att välja ett dyrt material som

klarar snäva toleranser och har god ytfinhet.

Två stålsorter som passar in på ovanstående beskrivning är:

- Nodulärt kolstål (även kallat segjärn)

- Gråjärn


3

Då bassängen i bruk är i kontakt med vatten väljs segjärnet.

Ringen består av ett antal delar där själva ”flötet” (den del av ringen som ligger på vattenytan) behöver

vara av ett material av relativt låg densitet och som är okänsligt för vatten. Ett uppenbart passande

material är aluminium som är passiverat i vanligt vatten och har en, jämfört med andra metaller, låg

densitet.

Därför väljs aluminium som material i flyt-delen av ringen.

Till damasken väljs en glest tvärbunden polymer, d.v.s. gummi, vilket är flexibelt och har noll

genomsläpplighet av luft och damm.

Till fästet som monteras på stödkonans undersida används en stålplåt.

7.3.3 Val av tillverkningsprocess

Nedan följer antaganden om olika parametrar nödvändiga för kommande beräkningar av kostnad av

olika produktionsupplägg. Råvaruprisernas giltighet kan diskuteras, då de hela tiden ändras i tiden

och varierar mellan olika källor, och ska ses som riktvärden snarare än exakta värden. Observera att

dessa antaganden används i beräkningar i samtliga delar av dokumentet.

figur 7.3.1 – Antaganden för beräkningar i inlämningen

7.3.3.1 Ring

Ringens principiella utformning består av, som beskrivs i föregående inlämning under 7.1.4.1 – Ring,

en flytande komponent (benämnd ”ring” nedan), en ”kam”, en ”damask” och ett ”fäste”.

𝑀𝑐 = 𝑉 ∗ 𝐶𝑚𝑡 ∗ 𝑊𝑐 (1)

𝑅𝑐 = 𝐶𝑐 ∗ 𝐶𝑚𝑝 ∗ 𝐶𝑠 ∗ 𝐶𝑓𝑡 (2)

𝑀𝑖 = 𝑀𝑐 + 𝑅𝑐 ∗ 𝑃𝑐 (3)

Antaganden:

Seriestorlek: 100-1000 enheter Årstillverkning: 500 enheter/år Arbetarlön: 𝐶1 = 0.31 pence/s Pris på aluminum från: http://www.finansportalen.se/ravaror.htm

Aluminium: 1378.75 US$/ton 𝐶𝑚𝑡 = 1378.75 ∗ 2.7 𝑈𝑆$

𝑡𝑜𝑛 ∗

𝑡𝑜𝑛

𝑚3 = 3722.625𝑈𝑆$

𝑚3 = 256079𝑝𝑒𝑛𝑐𝑒/𝑚3

Pris på järnmalm från: http://www.privataaffarer.se/nyheter/direkt/telegram/?id=954165

Järnmalm: 55 US$/ton 𝐶𝑚𝑡 = 55 ∗ 7.874 US $

ton ∗

ton

m3 = 433.07𝑈𝑆$

𝑚3 = 29791𝑝𝑒𝑛𝑐𝑒/𝑚3

Beräkningsformler:

http://www.finansportalen.se/ravaror.htm


4

figur 7.3.2 – Ringens principiella design

Hur dessa olika komponenter tillverkas och sammanfogas finns flera olika varianter på. Nedan följer

de som gruppen anser vara de mest relevanta.

7.3.3.2 Design A

Extrudering av helprofil i aluminium

En komplett profil av flytringen extruderas, böjs och sammansvetsas till en ring. Damasken tillverkas

av en gummiduk som sammanfogas i sina ändar och på så sätt bildar damask. Fästet tillverkas ur en

plåt som bockas och svetsas ihop i ändarna.

Höga ytfinhets- och toleranskrav

Någorlunda komplexa geometrier kan

hanteras

”Near net shape” eller fulländad

Bra hållfasthetsegenskaper

Minsta godstjocklek: 1mm

Hög maskinkostnad

Stora seriestorlekar

Svårt att svetsa i aluminium

figur 7.3.3 – Benämningar enligt kostnadsberäkningar

Fäste

Damask

Kam

Ring

Ring och kam

samextruderade

A2

A1

A3


5

7.3.3.3 Design B

Extrudering av profil med påsvetsning av kam i aluminium

I denna process används två standardiserade komponenter(ett extruderat rör och en platt stång), vilka

beställs eller köps in från extern leverantör, som sedan svetsas samman. Enheten böjs sedan till en

ring och svetsas samman. (Detta tillverkningsalternativ benämns i vissa delar av texten som

”standardkomponenter+ svetsning”)

Höga ytfinhets- och toleranskrav möjliga

Billigt

Många dimensionsmöjligheter

Svårt att svetsa i aluminium


7.3.3.4 Kostnadsberäkningar för ringprocesser

Tabellerna som används nedan är hämtade ur ”DFMA_och_kostnadsanalys_IKOT_2009.pdf”.

Värdena togs ur Swift.

Del Beskrivning Material Primär process Form kompatibilitet Volym m3 Cmt Wc

Design A

A1 Damask Gummi Fogning C1 - - -

A2 Ring Aluminium Varm extrudering A1 0,036187503 256079 1

A3 Fäste Aluminium Bockning C2 - - -

Design B

B1 Damask Gummi Fogning C1 - - -

B2 Ring(enkel) Aluminium Varm extrudering A1 0,029213167 256079 1

Ring och kam

sammansvetsade

B2

B1

B4

B3


6

B3 Kam Aluminium Valsning C1 - - -

B4 Fäste Aluminium Bockning C2 - - -

𝑃𝑐 𝐶𝑐 𝐶𝑚𝑝 Sektion [𝑚𝑚] 𝐶𝑠 Tolerans [𝑚𝑚] 𝐶𝑡 Surface finish [𝜇𝑚 𝑅𝑎] 𝐶𝑓 𝐶𝑓𝑡

- - - - - - - - - -

40 1 1.1 30 1 1 1 10 1 1

- - - - - - - - -

- - - - - - - - - -

40 1 1.1 30 1 1 1 10 1 1

- - - - - - - - - -

- - - - - - - - - -

figur 7.3.5 – Kostnadsberäkningar

(1), (2) & (3) ger:

𝑀𝑖 ,𝑟𝑖𝑛𝑔𝐴 = 0,036187503 ∗ 256079 ∗ 1 + 1 ∗ 1.1 ∗ 1 ∗ 1 ∗ 40

= 9310.85… 𝑝𝑒𝑛𝑐𝑒

𝑀𝑖 ,𝑟𝑖𝑛𝑔𝐵 = 0,029213167 ∗ 256079 ∗ 1 + 1 ∗ 1.1 ∗ 1 ∗ 1 ∗ 40

= 7524.87 … 𝑝𝑒𝑛𝑐𝑒

D.v.s. extrudering av profil med påsvetsning av kam är enligt Swifts beräkningsmall det billigare

alternativet. Det ska tilläggas att kostnaden för svetsmaterial (så som gas och fyllmaterial) ej tagits

med i beräkningen liksom den extra arbetsinsats det krävs för svetsa fast kammen.

Även mindre processer som bockning och valsning tas inget hänsyn till i beräkningarna liksom det

faktum att gruppen tänkte sig använda sig av komponenter som tillhandahålls av externa leverantörer.

Med andra ord får de beräknade kostnaderna endast betraktas som väldigt översiktlig data och inte

som en precis sanning.

7.3.3.5 Val av tillverkningsprocess för ring

Man kan tydligt se i 7.3.3.2-3 att extrudering av helprofil har flera fördelar jämfört med

standardkomponenter + svetsning. Främst så framställs ringen ”Near net shape” alternativt fulländad

utformning i första processteget med endast bockning som följande steg, och endast mindre svetsning

behövs utföras.

Men om man ser utöver denna fördel och i stället till de delar som verkligen väger tyngst, så som pris

och valmöjlighet, så visar sig Standardkomponenter+ svetsning vara den bästa


7

framställningsmetoden, då det alltid är lättast att använda sig av standardkomponenter då de är billiga

och finns i stor skala.

Processteget som skulle tala emot denna metod är svetsningen, men den är så pass simpel att den

utförs utan problem. För helprofilextrudering är däremot en avgörande nackdel maskinkostnaden och

seriestorlekskravet. Ska denna process utföras in house så krävs en stor investering för maskin och

kostnader för bruk. Detta vägs inte heller upp av seriestorleken då den återigen är relativt liten. Med

andra ord, framstår därför alternativ nummer två som det mest lämpade alternativet.

Enligt resonemang ovan framgår att design B är det bästa tillverkningsalternativet, främst då man

använder standardiserade komponenter i små seriestorlekar. Utöver detta så motiveras även samma

med konstadsberäkningarna, då kostnaden för design A är ca 17% dyrare än design B. Trots relativt

liten skillnad i kostnad, är detta ytterligare en motivering av ovanstående resonemang. Dessutom tar

kostnadsberäkningen inte hänsyn till standardiserat material vilket gör design B ännu billigare.

Slutgiltig tillverkningsprocess för ring:

Extrudering av profil med påsvetsning av kam i aluminium (Design B)

7.3.3.6 Bassäng

Bassängen består av ett fundament som bultas fast där själva bassängen är integrerad i fundamentet.

Tillverkningsalternativen skiljer sig åt med avseende på hur bassängen tillverkas. Bassängens

principiella utformning framgår i föregående inlämning under 7.1.4.2 – Bassäng.

figur 7.3.6 – Bassängens principiella design

Yttre

bassängvägg

Fundament

Inre

bassängvägg


8

7.3.3.7 Design A

Sandformsgjutning av hel bassäng

Med hjälp av en sandgjutningsform gjutes bassängen till sin färdiga form. Endast mindre behandling

och modifikationer behövs i efterhand (t.ex. fästen etc.).

Liten seriestorlek (metoden skulle även kunna hantera större seriestorlekar)

Billig

Kan gjutas ”near ner shape”, d.v.s. minimal efterbearbetning.

Simpel och anpassningsbar geometri

- Risk för defekter

- Låga ytfinhets- och toleranskrav


7.3.3.8 Design B

Sandformsgjutning av grovkropp följt av fräsning

I denna produktion så gjuts först ett solitt block utan toleranskrav, som sedan bearbetas skärande till

sin slutgiltiga form. Bearbetning efter det är endast modifikationer. (Denna process benämns

”gjutning + fräsning” i vissa delar av texten).

Höga ytfinhets- och toleranskrav

A1


9

Liten seriestorlek (metoden skulle även kunna hantera större seriestorlekar)

Klarar komplex geometri

Möjlighet att programmera process med hjälp av CAD

- Kräver flera processteg

- Överflödigt material


7.3.3.9 Kostnadsberäkningar för bassängprocesser

Del Beskrivning Material Primär process Form kompatibilitet Volym 𝑐𝑚3 𝐶𝑚𝑡 𝑊𝑐

Design A

A1 Bassäng Gjutjärn Sandforms

gjutning

B2 0,865980015 29791 1

Design B

B1 Fundament Gjutjärn Sandforms gjutning

B1 1,452986602 29791 1

B2 Bassäng Gjutjärn Fräsning (CNC) B2 - - -

B1 B2


10

𝑃𝑐 𝐶𝑐 𝐶𝑚𝑝 Sektion [𝑚𝑚] 𝐶𝑠 Tolerans [𝑚𝑚] 𝐶𝑡 Surface finish [𝜇𝑚 𝑅𝑎] 𝐶𝑓 𝐶𝑓𝑡

25 1.2 1 100 1.2 1 1 10 1.2 1.2

25 1 1 ∞ 1 ∞ 1 ∞ 1 1

10 1 1.2 100 1 1 1 10 1 1


(1), (2) & (3) ger:

𝑀𝑖 ,𝑏𝑎𝑠𝑠 ä𝑛𝑔𝐴 = 0,865980015 ∗ 29791 ∗ 1 + 1.2 ∗ 1 ∗ 1.2 ∗ 1.2 ∗ 25

= 25841.61… 𝑝𝑒𝑛𝑐𝑒

𝑀𝑖 ,𝑏𝑎𝑠𝑠 ä𝑛𝑔𝐵 = 𝑀𝑔𝑗𝑢𝑡 + 𝑀𝑓𝑟ä𝑠

= 1,452986602 ∗ 29791 ∗ 1 + 1 ∗ 1 ∗ 1 ∗ 1 ∗ 25

+ 1 ∗ 1.2 ∗ 1 ∗ 1 ∗ 10 = 43322.92… 𝑝𝑒𝑛𝑐𝑒

Dessa tillverkningskostnader är mer tillförlitliga än de för ringen. Detta då färre förenklingar gjorts för

att konstruktionen ska passa in i beräkningsmodellen. Resultaten ska dock endast ses som

representativa för rangordningen mellan kostnaderna för processerna och inte betraktas som exakta

värden.

7.3.3.10 Val av tillverkningsprocess för bassäng

Seriestorleksmässigt fungerar båda metoderna lika bra då konceptet endast ska produceras i relativt

liten skala. Men utöver det har de två metoderna skilda för- och nackdelar. Det som främst skiljer dem

åt är deras olika ytfinhets- och toleransmöjligheter. Fräsning blir mycket exaktare, men detta är något

som inte behövs i konstruktionen. Med andra ord, gjutning har fullkomligt acceptabel noggrannhet.

Utöver det är helgjutningen inte lika komplex processmässigt utan görs i mer eller mindre ett enda

steg. Sen är den dessutom billigare materialmässigt sett, då väldigt mycket överflödigt material skulle

gå åt i gjutning + fräsning.

Själva konstruktionen är även lämpad för gjutning med simpel geometri och släppningar kan utan

svårigheter införas i utformningen. Fräsningen blir helt enkelt överarbete utan någon större fördel.

Trots att gjutning har ytterligare en stor nackdel jämfört med den andra metoden, nämligen eventuella

defekter, så påverkar detta inte ändamålet då bassängens dimensioner kan göras så pass

överdimensionerade att varken korrosion eller den minskade utmattningshållfashet som defekterna

innebär kommer att utgöra ett hot mot konstruktionens hållbarhet . Konstruktionen kommer inte

utsättas för några större krafter och är på så sätt inte beroende av så hög hållfasthet vid ytorna, där

eventuella defekter ofta uppkommer. Detta betyder att helgjutning är det klokaste valet då dess

nackdelar inte påverkar konstruktionen nämnvärt och dess fördelar, som smidighet vid tillverkning

och möjlighet till effektiv utformning för gjutning, väger tungt.

För bassängen stämmer den konstadsmässiga motiveringen (enligt 7.3.3.9) överens med den

teoretiska motiveringen(7.3.3.7-8) av tillverkningsprocess. Det teoretiska valet av tillverkningsprocess


11

var tydligt sandformsgjutning av hel bassäng, då processen i stort sett skedde i ett enda steg.

Kostnadsberäkningarna motiverade även denna tillverkningsmetod med stor marginal, då design B är

drygt 60% dyrare än design A. Bara detta är tydligt nog för vilken tillverkningsprocess som bör väljas.

Slutgiltig tillverkningsprocess för bassäng:

Sandformsgjutning av hel bassäng (Design A)

7.4 Tillverkningsbarhet

Det som nu återstår är att slutgiltigt tillverknings- och monteringsanpassa dammtätningen samt att

beräkna kostnader för montering av de olika komponenterna. Även till denna del används metodiken

beskriven i Swift.

7.4.1 Monteringskostnader

Vid monteringen av ringen ska följande moment genomföras:

Kammen sammanfogas med ringen

Damasken sammanfogas med kam och fäste

Fäste sammanfogas med stödkonans underrede

Samtliga sammanfogningar anses permanenta, d.v.s. när de väl monterats samman kan de inte

monteras isär utan att ursprungskomponenterna skadas.

Enligt ”Joining process selection matrix” (sida 32 i Swift) väljs som sammanfogningsmetod:

MIG-svetsning för sammanfogningen av kam och ring

o Smidig i en verkstad

Polyuretanlimning för sammanfogningen av damask med kam och fäste

o Ligger utanför seriestorleksgränsen, men är väldigt smidig så vad den kostar extra i

form av råmaterial tas igen i arbetstid.

MIG-svetsning för sammanfogningen av fäste med stödkona

o Går snabbt, vilket är att föredra då allt arbete under stödkona bör minimeras ur

säkerhetssynpunkt.

I bassängens utformning integreras bulthål för att kunna montera bassängen på krossen på ett enkelt

sätt. Eventuellt går det att använda de bultar som sitter på krossen i nuvarande konstruktion.

Själva monteringen av bassängen sker då genom att bassängen bultas fast på krossen.

7.4.1.2 Kostnadsberäkning för montering av ring

Delar Fogningsmetod Material 𝑨𝒉 𝑷𝟎 𝑷𝒈 𝑯 𝑨𝒇 𝑷𝒇 𝑷𝒂 𝑭 𝑪𝒎𝒂

B2,B3 MIG-svetsning Aluminium 1.5 0 0 1.5 1 0 0 1 0.775


12

B1,B3,B4 Polyuretanlimning Gummi/

Aluminium/

Stål

1.5 0 0 1.5 1 0 0 1 0.775

B4 MIG-svetsning Stål 1.5 0 0 1.5 1 0 0 1 0.775

figur 7.3.7 – Monteringskostnadsberäkningar

Alltså kommer de olika monteringsmomenten att kosta ungefär lika mycket. Detta då de är relativt

simpla i och med att konstruktionen är utformad med åtanke på montering (se 7.4.2.2 nedan).

7.4.1.3 Kostnadsberäkning för montering av bassäng

Delar Fogningsmetod Material 𝑨𝒉 𝑷𝟎 𝑷𝒈 𝑯 𝑨𝒇 𝑷𝒇 𝑷𝒂 𝑭 𝑪𝒎𝒂

A1 Bultning Stål/segjärn 1.5 0 0 1.5 4 0 0 4 1.705

figur 7.3.11 – Monteringskostnadsberäkningar

Monteringen av bassängen är dyrare än de enskilda momenten vid montering av ring. Detta beror på

bassängens otymplighet och att en mängd bultar måste sättas fast.

7.4.2.1 Monterings- och tillverkningsanpassning för bassäng

Släppningar införs på bassängkanter liksom på fästningsområden för att underlätta borttagning av

form.

Bulthålen försänks så att bulten faller på plats.

7.4.2.2 Monterings- och tillverkningsanpassning för ring

Damasken tillverkas enligt dragspelsprincip, dvs. gummiduken veckas under tillverkning då gummi är

svårt att bearbeta efter tillverkning (pga. dess tvärbundna struktur).

Monteringen sker först genom att damasken fästs i en skena och skruvas fast i stödkonan. I damaskens

andra ända limmas ringen.

Notifikationer

Som påpekats tidigare skall ovanstående beräknar ses representativa för rangordningen av kostnader

relativt varandra och inte som exakta belopp. Detta då en hel del anpassningar till

beräkningsmodellerna gjorts och därmed visar inte resultaten hela verkligheten.

Filtret har inte tagits med i ovanstående text då det liksom pumpen tillhandahålls av leverantör.

rapport - ikotd1.files.wordpress.com · utformning i första processteget med endast bockning som...

Documents