Inlämning 7 del 2 Konstruera konceptet Grupp C3

Transkript

1 Inlämning 7 del 2 Konstruera konceptet Grupp C3 Grupp C3 Handledare: Daniel Corin Stig Sebastian Marklund Sebastian Merino Tobias Jungbark Mattias Larsson Ziad Kairouz

2 2 Innehållsförteckning Inledning Detaljkonstruktion Detaljritning Hölje Detaljritning - Främre ramkonstrution Detaljritning Ramkonstruktion Modell och kostnadsuppskattning Tillverkningskostnadsuppskattning Monteringskostnad Höljet Ramverket Bågramen Totala kostnadsuppskattningen för den färdiga produkten Tillverkningsbarhet Notifikationer... 22

3 3 Inledning När vi nu har definierat alla delsystem och dess funktioner översiktligt så ska vi detaljkonstruera våra komponenter. Detta kommer göras med hjälp av modelleringsprogrammet Inventor Professional, i vilket vi framställer CAD-ritningar på komponenterna. På de viktigaste komponeneterna kommer även kostnadsberäkningar med avseende på tillverkning och montering att göras. Detta för att hitta det bästa alternativet. 7.2 Detaljkonstruktion Pågrund av den komplexa geometrin är vissa mått svåra att definiera på en enkel ritning. Gruppen redovisar här de nödvändiga mått som krävs för att ritningarna skall kunna skickas till produktion. Men pågrund av den komplexa formen borde konstruktör och tillverkare ha en god kommunikation innan tillverkning så inga missförstånd görs. Pågrund av projektets omfattning och det stora antalet komplexa detaljer som skulle behövts detaljritas har gruppen gjort vissa avgränsningar. Till exempel avgörs utformningen utav profilerna helt på om sammanfogningen mellan komponenterna utgörs av svetsförband eller skruvförband.

4 Detaljritning Hölje Gruppen har här valt att redovisa höljet uppdelat i tre delar. Enbart två ritningar redovisas, sidodelen av höljet är enbart spegelvänd och en andra ritning av den skulle ej vara nödvändig. Valet av tre olika delar baseras på att vi vid en sträckdragning inte vill få en för djup profil. Om stålet måste pressas för långt uppstår risker för ojämna deformationer eller till och med brottrisk. En uppdelning i tre delar istället för t.ex. två, gör att försänkningen kan göras grundare vid tillverkningen. Höljets överdel

5 5 Höljets sidodel

6 Detaljritning - Främre ramkonstrution Den främre ramkonstruktionens uppgift är att stabilisera höljet och att säkerställa höljets position genom det spår som finns på dess yttersida. Spåret är också gjort för att underlätta monteringen och behovet av flera skruvar. Spåret är 10 mm brett för att man ska kunna placera en list inuti spåret. Det finns 9 st skruvhål utplacerade med jämna avstånd för att fästa frontplattan och luckan i. De två hålen som går upp underifrån är gängade och till för att fästa själva ramen i den övriga ramkonstruktionen.

7 Detaljritning Ramkonstruktion På grund av projektets omfattning har vi blivit tvungna att göra avgränsningar för ramkonstruktionen, t.ex. hur de olika profilerna monteras samman, det anses inte heller vara särskilt relevant i vårt projekt, därför syns inga hål för skruvar på vissa profiler. Den främre ramkonstruktionen monteras med skruvar genom de hål som syns på den främre tvärgående profilen, alternativt svetsas den fast. Höljet fästs med fyra skruvar i clips som trycks över den längsgående L-profilen. På de främre lodräta profilerna finns det ett spår med en list i som höljet löper i, precis som med den främre ramkonstruktionen.

8 8

9 9

10 Modell och kostnadsuppskattning För att göra den kostnadsuppskattning av vad olika komponenter i vår produkt kommer kosta har vi använt metodiken i boken Process Selection: From Design to Manufacture (Swift och Booker) där främst två kostnadsuppskattningar görs. Dessa är tillverkningskostnad, och monteringskostnaden. Grunden till beräkningarna beskrivs i boken med hjälp av ekvationer och kriterier för kostnadsuppskattningen. Nedan beskriver vi ekvationerna och kriterierna för uppskattningen. Tillverkningskostnadsuppskattning Ekvationen beskriver den totala tillverkningskostnaden per detalj De olika koefficienterna beskrivs nedan. Volym material på detalj Materialkostnad per volymenhet (*görs om till kr/kg och multupliceras med densiteten) Slöserikoefficient beroende av arbetsmetod och materialval Ideal processkostnad för en viss process Relativ kostnadskoefficient Den relativa kostnadskoefficienten beräknas då enligt följande formel. Där är materialets lämplighet gentemot bearbetningsprocessen, beror av komponentens geometriska komplexitet (A, B eller C, enl figur 3.9 i Swift, sid 259.) beror på minsta tjocklek på detaljen (enl. fig 3.14, Swift sid 264) och är det maximala koefficienten beroende av toleransen eller ytfinheten Monteringskostnad Kvantitativ DFA, det vill säga monteringskostnaden, enligt Swift & Booker, beskrivs med följande formel där C1 = arbetskostnaden per person per timma = ung. 200 kr/h / 3600 s/h = 0,056 kr/s F = Passningsindex

11 11 H = Hanteringsindex Passningsindexet beräknas med hjälp av formeln Där Basic Component Fitting Index (enl fig. till höger), Insertion Penalties (enl fig, 3.35 (a-b) sid ) och Additional Assembly Processes (enl fig 3.36, sid 291). Hanteringsindexet med formeln Där Basic Component Handling Indices, (enl fig 3.31 sid 286, Swift), Orientation Penalties (enl fig 3.32, sid 287, Swift) och General Handling Penaltiesen (enl fig 3.33, sid 288) Höljet I tidigare skede av projektet har vi beslutat att höljet måste tillverkas i tre delar då dess komplicerade geometri gör det mycket svårt eller omöjligt att tillverka den i ett stycke. Detta visas och ha tidigare förklarats i ritningen på sida 4 och 5. Höljet måste dessutom ha vikta kanter i gränssnitt med ramens skenor så att höljet lätt kan monteras på enheten. Det finns flera olika sätt höljet kan tillverkas på. Vi har valt mellan två av de vi finner mest rimliga. En avgränsning som gjorts här är speglarna. Dessa tillverkas separat i samma process som höljet utav polerad aluminium som sedan nitas fast på höljet. Vi använder oss av metodiken enligt Swift för två olika materialval i våra kostnadsberäkningar för höljet. Dessa är aluminium och galvaniserad stålplåt. Kostnadsuppskattningen görs för en tänkt produktionsvolym om 5000 enheter. Vilket är i dimensionerna för en solpark. Valet av tillverkningsprocess varierar mellan superplastiskt och konventionell plåtformning. Dessa presenteras nedan. Alternativ 1 Höljet kan tillverkas med en kombination av sträckpressning och sträckdragning, även kallat plåtforming. Detta är samma metod som används vid tillverkning av till exempel bilkarosser. Färdiga plåtar i antingen aluminium eller stål används vid tillverkningen. Material som sticker ut efter pressningen klipps av. De två delarna svetsas sedan ihop i överkant. Eftersom

12 12 enheten är tänkt att producerass i skalor på uppåt 5000 är denna metod också förmånlig. En positiv sida är att vi får hög tolerans. En negativ aspekt är dock att vi får höga verktygskostnader då verktygen till dessa maskiner är väldigt dyra. Vi kan även få materialförluster vid tillverkningen då plåt som skärs bort efter pressningen inte kan återanvändas i tillverkningen. Alternativ 2 Höljet kan även tillverkas med superplastisk forming. Detta är en metod som innefattar att högttrycksgas sprutas in i formen för att forma plåten. Plåten behöver uppvärmas så att den komplexa formningen tillåts. Superplastisk formning av plåten fungerar bäst med valet av aluminium, därför utvärderar vi även att processen skulle kunna göras med mer konventionella plåtformningsmetoder så som bockning, dragning eller rullning (spinning). På samma sätt som i alternativ 2 kommer utstickande material att klippas bort för att skapa den tänkta formen. Nackdelen med denna metod är att vi får höga inköpskostnader för maskiner etc. Om plåtarna måste värmas upp före vakuumformingen innebär även det merkostnader. En fördel är att denna metod tillåter väldigt komplexa former. Genom våra beräkningar har vi fått en prisskillnad på grund av materialvalet. Det egentliga valet av tillverkningsprocess kommer påverkas främst av antalet tillverkade enheter per beställning. Om dessa ligger kring 5000 så är detta gränsen på när det börjar vara lönsamt att använda sig av superplastiskt formning. Nedan redovisas våra beräkningar. Materialkostnad Med underlag för våra CAD-modeller har vi fått en bild av materialåtgången med hjälp av funktioner i Inventor för att fastställa volymen av höljet. Sedan har vi fått kilopriset genom sökning av olika företag i internet. Vid denna kostnadsuppskattning används priset av redan tillverkad plåt som en förenkling i processen istället för att säga att man måste köpa en råvara att tillverka plåten med. Trots att denna tillverkning kommer ske hos en underleverantör kan denna uppskattning ge Cleanergy en bra bild av den ungefärliga kostnaden. Mat. Tillv.proc Volym - - [dm³] [kg/m³] [kr/kg] - Förslag 1 Al SPD Förslag 2 Galv.plåt PF

13 13

14 14 Processkostnad Genom att använda oss av Switfs metodiken för kostnadsuppskattningen saknar vi underlag för att utvärdera kostnadsskillnaderna mellan processerna, då allt benämns som plåtformning. Antagligen kommer det vara en prisskillnad mellan olika formningsprocesser vid en konventionell plåtformning. Vi utvärderar att avvikelserna från resultatet kommer att ta ut varandra om monteringskostnaderna tas till hänsyn. h Tol. Ytfinhet - - [mm] - [mm] [μm] - Alternativ Alternativ Alternativ 1 (Al) [kr/st] Alternativ 2 (G.Stål) [kr/st] Processkostnaden multipliceras med 3 i och med att höljet måste tillverkas i tre delar som sedan svetsas ihop. Detta innebär att tre processer sker vid tillverkningen av varje enhet. Val av tillverkningsprocess Skillnaden mellan dessa processer ligger i processtegen. Den konventionella plåtformningen lär innebära flera formningsprocessen i steg och en uppdelning av höljet i tre delar. Superplastiska formningen kan ske i endast en process per delhalva av höljet då vi vid utvärdering visats att den kan tillverkas i två delar som sedan svetsas ihop. Dessutom kan detta innebära olika toleranssättningar. Båda metoderna tillåter hög tolerans och ger den färdiga produkten samma goda egenskaper. Superplastisk forming är som sagt bättre ur synpunkten att forma komplexa geometrier. Investeringskostnader för maskiner etcetera gör dock att metoden inte är lämplig för de tänkta volymerna. Vid tillverkningen kommer det dock gå åt lika mycket spillmaterial för de båda metoderna. Vidare har inte några utförliga kalkyler över

15 15 tillverkningskostnader vid superplastisk formning kunnat göras. Detta beroende på att metoden är väldigt modern. Den avancerade metoden antas därför vara avsevärt mycket dyrare än metoden för plåtforming. Plåtformingens nackdel är dock att det finns litet utrymme för förändring av geometrin när verktygen väl är tillverkade. Vi finner att plåtformning är den bästa tillverkningsmetoden. Till denna har vi nämligen tillförlitliga kalkyler samtidigt som metoden lämpar sig bättre för de seriestorlekar vi har. Åtta hål borras i höljets nedre kant för att det ska kunna fästas mot ramverket med hjälp av skruvar. Med hjälp av clips så får vi en gängfunktion på ramverkets insida som skruvarna fästs med. Kostnaderna för borrning av hål var låga och sett till antalet hål per enhet så utgjorde inte dessa några intressanta summor som behövde beaktas Ramverket Ramverket består av två L-profiler och elva frykantsrör. Vid materialvalet aluminium är dessa extruderade medan vid användning av stålrör kommer de att vara kallformade. Vår tanke är att rören kommer att köpas färdiga, därför skulle processkostnaden egentligen vara en vilseledande siffra. Ramen kommer att monteras ihop med hjälp av svetsning eller skruvning därför väljer vi att beräkna monteringskostnaden och sedan addera den till materialkostnaden för att få en bättre uppskattning av den egentliga kostnaden. Nedan redovisas våra beräkningar. Materialkostnad Mat. Tillv.proc Volym - - [dm³] [kg/m³] [kr/kg] Förslag 1 Al Extrud Förslag 2 Stål Bockade Monteringskostnad: Hanteringsindex Delspecifikationer Del Antal (n) Fyrkantsrör s L-rör s 23.8 s

16 16 Passningindex Process Skruv Svets s s summa s s s summa 98.8 s Monteringsprocessen kommer då att bestå av summan av passnings- och hanteringsbeläggen på tiden multiplicerade med kostnaden per tidsenhet. Komponent Monteringsprocess [kr/s] [s] [s] Ramverk Skruv kr Ramverk Svets kr Summan av materialkostnaden och monteringskostnaden ger då: Material Mot. Proc. Al Svets kr Stål Svets kr Al Skruv kr Stål Skruv kr Bristerna i våra beräkningar är främst vid svetsningsmetoden att priser tillkommer vid verktygskostnader för antingen manuell svetsning eller den med hjälp av en robot. Det vill säga att då dessa siffror är så pass lika att det är svårt att utvärdera vilket process som är bäst. Däremot ur bekvämlighetssynpunkt är det bäst för Cleanergy att få ett monterat ramverk av en underleverantör. Då är det mest troliga att få en fastsvetsad konstruktion i

17 17 stället för en konstruktion som skruvas ihop hos underleverantören då skruvningen lika väl skulle kunna ske hos Cleanergy. Val av tillverkningsprocess Vi bedömer att montering genom svetsning är det bästa alternativet. Vid svetsningen av ramen kommer vi nämligen inte att behöva tillägga monteringsdetaljer. Utöver detta anser vi att materialvalet inte kommer ge en större prisskillnad för denna komponent. Ramen tillverkas därför i aluminium för att underlätta hantering och minska transportkostnader tack vare en minskad vikt. Hål för skruvar borras för att tillåta infästning av höljet vid enhetens slutgiltiga montering av alla komponenter. På samma sätt som vid tillverkningen av höljet så var inte heller här kostnaderna för borrningar av hål särskilt höga och utgjorde därmed inte några intressanta summor som behövde beaktas Bågramen Bågramen är den främre bågprofilen som visas i ritningen på sida 6. Vid tillverkningen av bågramen har vi som tidigare valt att utvärdera två tillverkningsmetoder. De presenteras nedan och följs sedan av kostnadsberäkningar för tillverkningen. Alternativ 1 En stång med önskad profil enligt ritning extruderas genom att aluminium trycks ut genom en matris. Denna stång bockas sedan för att få fram den önskade formen på bågramen. Eftersom det finns risk att de tunna profilerna veckas eller deformeras på ett icke önskvärt sätt vid bockningen så väljer vi istället att extrudera en plan profil. Ur denna fräser vi istället ur detta spår efter bockningen. Fördelarna med detta alternativ är att vi får en bågram med goda hållfashetsegenskaper, hög ytfinhet och hög toleranssättning. Alternativ 2 Bågramen kan pressgjutas. En gjutform för bågramen skapas och den fylls sedan med flytande aluminium som förs in i gjutformen med hjälp av en kolv under ett högt tryck. Vid pressgjutning kan man till skillnad mot vanlig gjutning få en hög måttnoggrannhet, god ytfinhet och en tunn godstjocklek. Nackdelarna med denna metod är att inköpskostnader för maskiner och så vidare är höga samt att vi får sämre ytfinhet än hos en extruderad profil. En fördel är dock att vi får jämna hållfasthetsegenskaper utan spänningskoncentrationer

18 18 som man annars lätt får vid bockning till exempel. Hela komponeneten kan dessutom i storst sett tillverkas i ett stycke och vi får därför färre processer vid tillverkningen. Materialkostnad Mat. Volym - [dm³] [kg/m³] [kr/kg] Förslag 1 Al Processkostnad Till.proc. Alternativ 1 del 1 Alternativ 2 del 1 Extrudering (CCEM) Gjutning (PDC) Komp.g h Tol [mm] - [mm] [μm] B B Notis: Det finns inget underlag för bockning av rör. Istället görs uppskattning till samma kostnad som för plåtformning. Bearb.proc. Bockning (SMW) Komp.g h Tol [mm] - [mm] [μm] C Fräsning (CNC) 8 1 B

19 19 Alternativ 1 del 2 (Extr.+Bock.+Fräs.) [kr/st] Alternativ 2 del 2 Gjut(PDC) [kr/st] Val av tillverkningsprocess Efter denna utvärdering finner vi att gjutning är den bästa tillverkningsmetoden. Som tidigare beskrivet har dock metoden vissa nackdelar, men vi finner att fördelarna överväger samtidigt som vi får ett lägre pris per tillverkad enhet. Seriestorlekar på minst 5000 enheter gör också att denna metod är lämplig. Ytfinheten anser vi blir tillräcklig för att höljet skall sluta tätt runt bågramen. Vi bedömer också att de tunnare delarna i gjutformen fylls ut tillräckligt då aluminiumet pressas in under högt tryck Totala kostnadsuppskattningen för den färdiga produkten För att få en uppskattning av vad färdiga produkten kommer kosta har vi gjort en beräkning av vad monteringen av hela produkten kommer kosta och adderat komponent kostnaderna som vi har kunnat fastställa. Monteringskostnaden färdiga produkten: Hanteringsindex Del Hölje s Bågram s Värmeskydden s Luckan s Ramverket s M8 skruvar s Summa= 50 s

20 20 Passningsindex Process Hölje s Bågram s Värmeskydden s Luckan s Ramverket s M8 skruvar s Summa= s Monteringsprocessen kommer då att bestå av summan av passnings- och hanteringsbeläggen på tiden multiplicerade med kostnaden per tidsenhet. Summa monteringskostnad [kr/s] [s] [s] Färdig produkt kr Totala kostnaden för produkten kommer bli summan av tillverkningskostanden för komponenterna och monteringskostnaden för hela produkten. Kostnadsuppskattning färdig produkt Hölje kr kr Bågram kr kr Ramverket kr kr Värmeskydden Luckan Monteringskostnad kr Summa= kr

21 21 Den totala kostnaden för hela produkten med lucka och värmeskydd exkluderat kommer vara ungefär 2060 kr. 7.4 Tillverkningsbarhet Efter att vi nu gjort kostnadsberäkningar i de olika aspekterna så måste vi försöka reducera våra produktionskostnader. Det finns flera olika metoder för detta. De främsta är DFM (Design for Manufacturing) och DFA ( Design for Assembly). DFM går ut på att man identifierar de processer som ökar kostnaden för produkten så att man i ett senare skede kan reducera dessa genom att använda de metoder som definieras av DFM. Design for Manufacturing kan delas in i fem aktiviteter: Beräkning av produktionskostnader Val av tillverkningsprocess Förenkling och optimering av tillverkningsmetoder Förenkling av produktens design Anpassa designen till tillverkningsprocessen Dessa är i storst sett redan behandlade i tidigare delar av projektet och med hänsyn till detta fokuserar vi främst på en annan metod. Ofta används DFA eller DFMA (Design for Manufacturing and Assembly) som det också kallas i syftet att reducera produktionskostnader. För att effektivisera montering försöker man i största mån: Reducera antalet delar Standardisera delar Skapa symmetriska delar Skapa lätthanterliga delar Dessa metoder har vi haft i åtanke under hela arbetet med den nya produkten. För att effektivisera montering har vi ställt oss tre grundläggande frågor för att avgöra om någon av komponenterna är kandidater för eleminering: 1. Rör sig delen i förhållande till andra delar under drift? Höljet, basramen och den främre böjda ramen kommer att vara stationära och därmed rör de sig inte i förhållande till andra delar under drift.

22 22 2. Måste delen vara av ett annat material eller isolerad från andra delar? Höljet ska vara i ett material som tål höga påfrestningar både vad gäller värme, erosion och korrosion. Därmed behövs bättre materialegenskaper till höljet än för ramen. Delarna behöver dock inte vara isolerade från varandra. 3. Måste delen vara separerad från andra delar för att produkten skall kunna repareras, tillverkas eller monteras? Det finns ingen tillverkningsprocess som lämpar sig för att tillverka alla komponenter i ett stycke. Komponenterna har alla olika utformning och det ställs dessutom olika krav på dem. Vid reparation av enheten ska delarna dessutom kunna separeras från varandra. Med bakgrund till detta har vi inte sett någon anledning till att eleminera eller slå ihop komponenter. Notifikationer Genom projektets resa har vi lärt oss ett och annat. Nu när vi gått in i detalj på vårt koncept har vi märkt att ett antal detaljer ställt till det för oss. Vi har nu i efterhand märkt att vi tidigare borde tänkt på dessa saker. Den del av projektet som står för de mesta oklarheter är luckan. Luckan i sig skulle kunna göras mycket bättre. Till exempel kan det bli svårt att uppnå en IP-65 klassning av tätningen mellan luckan och keramiken då keramikens ytfinhet inte är särskilt hög. Under (innanför) luckan sitter ett kugghjul som skall föra luckan upp/ner, luckan löper i T-spår. Då luckan täcker för hålet i viloläge kommer T-spåren vara utsatta för bl.a. sand och blästringseffekter. Detta kan leda till att luckan hindras att föras upp/ner. En bättre lösning skulle vara att ha luckan på insidan då man enkelt kan lösa tätningsfrågan samtidigt som den drivande delen blir lättare att lösa. Ett annat problem som uppstått gäller tätningen i profilen där höljet skall skjutas i. Tätningen är helt enkelt ett gummi som löper längs profilen. Springan (profilen) är redan väldigt tunn, och att sedan sätta dit tätning blir väldigt svårt. Denna tätning kommer att utsättas för slitage varje gång luckan sätts på och tas av produkten. Både gummit och klistret som fäster gummit kommer att påverkas negativt. Vidare har vi haft svårt att göra några beräkningar då de antingen är för komplicerade eller orelevanta. Vi har var och en väldigt lite erfarenhet av praktiskt konstruktionsarbete och tillverkningsaspekter, vilket är en stor orsak till dessa noteringar. Modellen till höger Tid säger att man inte kan förbättra två av dessa områden utan att bekosta den tredje. Vi har inte kunnat förbättra (i detta fall förlänga) tiden men vi har satsat på kvalité vilket har fått konsekvenser i pris. Allt detta har dock gett oss lärdom. Kvalité Pris