Justerbar serveringsmodul

Transkript

1 EXAMENSARBETE 2007:06 HIP Justerbar serveringsmodul PER-MARTIN BERGFJORD HÖGSKOLEINGENJÖRSPROGRAMMET Bilsystemteknik Luleå tekniska universitet Institutionen för Tillämpad fysik, maskin- och materialteknik Avdelningen för Datorstödd maskinkonstruktion 2007:06 HIP ISSN: ISRN: LTU - HIP - EX /6 - - SE

2 Sammanfattning Examensarbetet Justerbar serveringsmodul utfördes under vintern på Coffee Queen AB i Arvika. Uppdraget var att lösa problemet med att olika stora koppar används i kaffe maskiner. Problemet krävde någon form av justerbar anordning för att undvika spill och liknande. Efter konkurrentanalys och en del funderande genererades två principlösningar flytta koppen eller kaffeutloppet. En kopphylla steglöst justerbar med hjälp av magneter valdes ut att gå vidare med. Sammanfattningsvis går lösningen ut på att man har magneter som sitter fast i ett fäste och arbetar mot plåten inne i dörren på maskinen. En kopphylla sitter monterad på fästet och den används också som handtag när man vill ändra inställningen. Magneter är relativt svåra att beräkna enbart teoretiskt så en prototyp togs fram för att testa om konstruktionen klarade de krav som ställts upp. Testresultaten var mestadels positiva och visar att lösningen klarar de påfrestningar den utsätts för, slag undantaget. De maskiner som lösningen med justerbar kopphylla är planerad att användas på är inte designade än. Så designen på kopphyllan är en viktig sak att ha i åtanke när projektet drivs vidare. Utseendet på kopphyllorna ska anpassas efter utseendet på de olika maskinerna.

3 Abstract This thesis was done during the winter 2006 at Coffee Queen AB in Arvika. The purpose was to solve the problem with different heights on the coffee cups that are used in the coffee machines. The problem demanded some sort of adjustable device to prevent spill outside the cup. After some thinking and analysis of how other manufactures had solved the problem, two principle solutions was thought up. To move the coffee outlet or to move the cup tray. A cup tray adjustable without steps using magnets was the solution selected to proceed with. To sum up, the solution works like this. The magnet lies in the cup tray attachment and works against a steel sheet in the machine door. The cup tray is fitted on to the attachment and is also used as handle wile adjusting the tray. Magnets are relatively complicated to calculate theoretical so a prototype was made to test if the design could manage the demands of the requirement specification. The test results was mainly positive and showed that the design could take the stress it was exposed to. The machines that this adjustable cup tray is intended to be integrated in are not designed yet so the biggest job ahead for this project is to design the tray so that it fits in with the machines.

4 Förord Gott kaffe är en mänsklig rättighet De orden möter man på Coffee Queens hemsida. Efter 10 veckor på företaget har jag börjat förstå innebörden av dessa ord. Jag vill passa på att tacka min handledare Peter Larsson och övriga medarbetare på Coffee Queen som har hjälpt och stöttat mig i mitt arbete, jag har känt mig välkommen från första stund. Jag vill även tacka min examinator Peter Törlind på avdelningen Datorstödd konstruktion vid Luleå tekniska universitet. Per-Martin Bergfjord Arvika

5 Innehållsförteckning 1. Inledning Allmänt om kaffe Coffee Queen AB Projekt Justerbar serveringsmodul Syfte med examensarbetet Mål med arbetet Metod Avgränsning Kravspecifikation Mekanik Design Miljö Ekonomi Konkurrentanalys Jura Saeco Schaerer Sammanfattning konkurrentanalys Principlösningar Justerbart tapphuvud Rörlig kopphylla Utvärdering av Principlösningar Justerbart tapphuvud Rörlig kopphylla Lösningar linjärrörelse Fasta lägen Steglös justering Vald lösning Magnet Kravspecifikation Magnet Magnetfakta Konstruktion av prototyp till justerbar kopphylla Fäste för kopphylla Kopphylla Täckplåt Slider Tillverkning prototyp Test/Utvärdering konstruktion Långtidstest...15

6 9.2 Drifttest Testresultat Montering av kopphyllan i maskin Modulmontering Detaljmontering Design ide Diskussion Referenser Intervjuer Internet Företag Uppslagsverk via studentportalen...22 Bilagor Bilaga 1 Konkurrentanalys 1-3 Bilaga 2 Konstruktionsritningar 1-4 Bilaga 3 Material Plastdetaljer 1-2 2

7 1. Inledning Som avslutning på utbildningen till Högskoleingenjör på Arena Innovativ Teknik och Företagande vid Luleå Tekniska Universitet, gjordes under hösten ett examensarbete på Coffee Queen AB. Arbetet var på 10 poäng d.v.s.10 veckor. Examensarbetet ska ge studenten en möjlighet att visa både för sig själv och andra de kunskaper som utbildningen gett. Arbetet utfördes på plats på företaget i Arvika. Handledare på Coffee Queen var Peter Larsson och examinator på LTU var Peter Törlind. Den här rapporten kommer att beskriva det arbete som gjorts på Coffee Queen. Först tas bakgrund, problemställning och konkurrenter upp följt av principlösningar, konstruktion och prototyptillverkning. Rapporten avslutas med diskussion om arbetet och hur projektet kan gå vidare. 1.1 Allmänt om kaffe Svenskar dricker idag mer än två miljarder koppar kaffe per år bara på jobbet. Det är inte längre bara vanligt kaffe vi dricker utan istället alla möjliga olika sorter Espresso, Cappucino och Café au Lait m.m. Senaste trenden är Bean to Cup d.v.s. att maskinen mal kaffebönor och brygger kaffet på färskmalda bönor. Detta gör att man idag kan kalla kaffemaskiner för små processindustrier de tar in råvaror som går genom olika processer och ut kommer en färdig produkt. 1.2 Coffee Queen AB Coffee Queen är ett privatägt företag som är beläget i Arvika i Värmland. Vd George Möller tillverkade via legotillverkning de första Coffee Queen maskinerna i Stockholm Tre år senare köpte Möller företaget EDEA, som startades 1968 av uppfinnaren Alvar Carlsson i Charlottenberg. Coffee Queen utvecklar, tillverkar och säljer kaffemaskiner. För att komplettera sitt sortiment importeras även espressomaskiner från bl.a. Jura. Företaget exporterar idag till ett 40-tal olika länder. Coffee Queen är kvalitets och miljöcertifierade enligt ISO 9001 Och ISO Idag jobbar ca 65 personer med att tillverka drottningarna från Värmland och företaget omsätter ca 180 miljoner. 1.3 Projekt Justerbar serveringsmodul Coffee Queen utvecklar hela tiden sina kaffemaskiner för att inte tappa mot konkurrenter. Ett problem med en del av dagens maskiner är att då de kan göra många olika sorters kaffe används olika stora kaffekoppar. De olika kopparna hamnar därför olika långt ifrån påfyllningen av kaffet. Detta medför spill runt kopparna och påverkar även i viss grad kvalitén på kaffet då det kyls snabbt i luften. Problemställningen för projektet är därför följande. Ta fram en lösning på problemet med att olika stora koppar används i kaffemaskiner. Kaffekannor används regelbundet i vissa av maskinerna och plats för dessa måste också finnas med i lösningen. I figur 1 nedan ser man en enkel skiss på hur framsidan av en kaffemaskin är uppbyggd. Alla maskiner har en hylla eller motsvarande att ställa sin kopp eller kanna på (nummer 1 i figuren). En kaffemaskin har också ett utlopp där kaffet kommer ut (nummer 2 i figuren). Problemet är alltså att få någon av dessa detaljer justerbar för att få rätt avstånd mellan kaffet och koppen vid påfyllning. 1

8 Figur 1, Enkel skiss över kaffemaskin 1.4 Syfte med examensarbetet Att utveckla en lösning som kan bidra till att göra Coffee Queens maskiner ännu bättre. Att använda de teoretiska kunskaperna från utbildningen i praktiken samt att få en bild av vad som krävs för att jobba ute i den riktiga världen. 1.5 Mål med arbetet Ta fram lösningsförslag på problemet med att olika stora koppar används i maskinerna. Välja någon av idéerna att bygga en enkel prototyp och testa funktionen på. Resultatet ska presenteras som ritningar i SolidWorks, en prototyp plus en presentation samt en skriftlig rapport. 2. Metod I den inledande fasen av projektet diskuterades de olika krav som fanns på produkten med handledare och andra medarbetare på Coffee Queen. En del tid las även på studier av konkurrenters lösningar på problemet. Detta gjordes för att få lite insyn i branschen och för att få olika uppslag att jobba utifrån. Konkurrensanalysen samt de diskussioner som följde mynnade ut i en kravspecifikation. Med kravspecifikationen som grund genererades olika principlösningar på hur problemet kunde lösas. De olika lösningarna granskades för att komma fram till en att arbeta vidare med. Vald lösning detaljkonstruerades för att möjliggöra prototypframtagning och tester. 2.1 Avgränsning Tanken från början var att bygga en automatisk höjdreglering men efter hand och efter diskussion med handledare bestämdes att vänta med automatiken och först få fram en fungerande manuell version som senare kanske kan utvecklas till en automatisk. 2

9 3. Kravspecifikation Syftet med denna kravspecifikation är att ställa upp de krav som ställs på serveringsmodulen som är en del av Coffee Queens kaffemaskiner. Modulens uppgift är att transportera kaffet ner i koppen på ett sätt som minimerar spill. Då det finns olika typer av kaffemuggar ställer det en del krav på modulen. Känsla var något som hela tiden kom upp vid diskussion med övriga utvecklare på företaget. Med känsla menas att produkten måste kännas bra att använda justeringen ska gå mjukt smidigt osv. Design och känsla är viktigt för Coffee Queen och därför också för detta projekt 3.1 Mekanik Höj och sänkbar för olika stora koppar ca 150mm, helst steglös justering Klara av en vikt på ca 1 kilo (Största koppen med kaffe i väger ca 720gram) Plats för kaffe kanna Tyst och mjuk höjdreglering Avtagbar för enkel rengörning Utrymme för tre munstycken samt de slangar/anslutningar som behövs Fästen för montering på maskin Ingående delar Kompakt utformning dvs. de delar som inte hör till det rent designmässiga ska vara så kompakta som möjligt Driftsäkerhet Modulen ska tåla minst lika många cykler som resten av maskinen 3.2 Design Plats för tre munstycken, alternativt en kopp Estetisk, Smälta in bra med resten av maskinen Plats för företagslogotyp Material Metall (rostfritt stål 2333, aluminium) Plast (ABS, POM, PP) Känsla Modulen ska se ut och kännas lyxig 3.3 Miljö Motstå de olika miljöer den utsätts för Värme (ca.100 C) Vätskor (vatten, kaffe, te, diskmedel) Vattenånga Inte släppa ifrån sig kemikalier som kan ge drycken dålig smak färg eller liknande De delar som är i kontakt med drycken ska vara FDA godkända Klara av stötar t ex en kopp som slås mot modulen Vara säker för användaren Man ska inte kunna bränna eller klämma sig vid användning av maskinen 3

10 3.4 Ekonomi Billig att tillverka Enkel konstruktion som ger enkel service Använda så mycket standard delar som möjligt Linjärstyrning Skruvar Slangar 4. Konkurrentanalys För att få bättre inblick i kaffebranschen studerades en del olika företag både konkurrenter och samarbetspartners. Det finns flera olika märken som har justerbar serveringsmodul några exempel kommer att tas med i den här rapporten. 4.1 Jura Ett schweiziskt bolag som Coffee Queen AB är återförsäljare åt i Norden. Jura bygger Espresso och kaffemaskiner. De tillverkar en rad olika maskin serier för olika behov bl.a. S, F och Z serien. Gemensamt för alla företagets maskiner är ändå hur de löst problemet med justerbara serveringsmoduler. Juras lösning är att ha justerbara kaffeutlopp/tapphuvud se bilder i bilaga Saeco Italienskt företag som bygger maskiner över hela världen och har en mängd olika maskintyper i sitt sortiment. Intressant för projektet är deras Odea, Talea och Primera maskiner där de löst justeringsproblemet genom att ha ett fast tapphuvud och en höj och sänkbar kopphylla. Ett system de kallar Touch lift. Se bilder i bilaga Schaerer Schweiziskt företag som även de använder ett justerbart tapphuvud. På sin serie Coffee Celebration använder de en annorlunda och snygg design lösning se bilaga Sammanfattning konkurrentanalys Det finns en mängd olika företag som bygger kaffe/espresso maskiner och många av dem använder höjdreglering för att kunna servera olika koppstorlekar. Det är i grunden två olika principer. Flytta kopphyllan eller flytta kaffeutloppet. Sen finns en mängd versioner på dessa två principer. 4

11 5. Principlösningar Med kravspecifikationen klar så började arbetet med att lösa problemet. Två lösningar på grundproblemet med olika stora koppar togs fram. 5.1 Justerbart tapphuvud Figur 2, Principskiss lösning justerbart tapphuvud 1, Fast kopphylla 2, Rörligt tapphuvud 5.2 Rörlig kopphylla En alternativ lösning på problemet är att flytta kopphyllan upp mot påfyllningen istället. Figur 3, Principskiss lösning rörlig kopphylla 1, Rörlig kopphylla 2, Fast Tapphuvud 5

12 5.3 Utvärdering av Principlösningar Justerbart tapphuvud Ursprungliga tanken var att flytta huvudet där munstyckena för kaffepåfyllningen sitter, då denna ide redan finns på ett antal andra fabrikat bl.a. Juras Impressa X5. Känslan på Juras maskin var något som Coffee Queen tyckte att projektet skulle sträva mot. Fördelar: Nackdelar: Vikten som rörelsemekanismen ska hålla upp blir lägre vilket kan leda till kompaktare utformning samt att mindre kraft krävs för att justera höjden. Kan vara lättare att göra inställningen ner mot koppen. Slangarna som leder kaffet till munstyckena måste följa med i rörelsen vilket leder till längre slangar som kräver mer utrymme i dörren. Längre slang gör att kaffet kyls av lite mer vilket kan påverka smaken/kvalitén. Kräver genomföring för slangar i dörrväggen Rörlig kopphylla Förslaget med att flytta upp kopphyllan mot påfyllningsmodulen var en tanke som väcktes en bit in i projektet och efter lite research hittades en maskin som har en sådan lösning (Saeco Primea). Fördelar: Nackdelar: Enklare konstruktion/tillverkning och service då färre antal komponenter ingår. Fäste för kopphållaren samt rörelsemekanism finns på insidan av väggen. Kortare väg för kaffet från bryggning till kopp. Kräver inte hål i dörren. Mekanismen måste klara högre belastning då den plus sin egen vikt även har kopp fylld med kaffe att bära upp vilket kräver starkare magneter. Detta kan göra att den manuella höjdinställningen känns tung. Spillrisk när koppen ska tas från hyllan om man fört koppen för nära påfyllningen och måste efterjustera. Risk att kopphyllan glider neråt om belastningen på den blir för stor. Se Jura och Saeco s maskiner i bilaga 1. Båda lösningarna ansågs möjliga och förslag på konstruktion och då främst linjärrörelsen arbetades vidare med. Då båda förslagen bygger på samma vertikala rörelse väcktes tanken att kanske kunde samma rörelsemekanism lite modifierad användas i båda fallen. Kaffe maskinerna ser ju olika ut och en av lösningarna passar inte på alla maskiner. 6

13 6. Lösningar linjärrörelse Den centrala delen i lösningarna är linjärörelsen och det finns en mängd olika lösningar på det problemet. Men efter avgränsningen till manuell justering valde studenten att konstruera en egen lösning. Tanken med att bygga en egen lösning var att få fram en enkel och kompakt konstruktion med få delar som ska vara lätt att bygga och serva. 6.1 Fasta lägen En ide var att bygga en mekanism med fasta lägen och en fjäderbelastad spärr så att man drar ut enheten placerar den i lämplig höjd och sen när man släpper dras den in till närmaste fasta läge av fjäder kraften. Ett annat alternativ är att som figur 4 visar göra hål i sidan på fästet. När man vill justera höjden klämmer man på kopphyllan så att den åker ur sitt läge, justerar höjden och släpper sen tillbaks hållaren i närmsta hål. Ändtappen på hållaren är konformad för att lättare hitta närmaste hål. Positivt med dessa lösningar är att risken för glidning är liten, men en mängd olika lägen kommer att krävas då olika koppsorter inte är lika från fabrikat till fabrikat. Det kan också kännas lite föråldrat med fasta lägen. Figur 4, Skiss på lösning med fasta lägen Lösningen med fasta lägen var genomförbar men lite tråkig och opraktisk med alla olika koppstorlekar. 6.2 Steglös justering En steglös lösning på problemet är att använda magneter för att hålla fast tapphuvudet/kopphyllan. Magneter kan även ge den lagom tröga känsla som eftersöks i rörelsen. Det känns också som ett modernt sätt att lösa problemet på och kan kanske ge Coffee Queen en fördel mot de tillverkare som inte har en sådan justerings möjlighet. Magneter tillåter också en enkel konstruktion med få delar vilket leder till att det finns få komponenter som kan haverera. Ett problem med denna lösning är förhållandet mellan att orka hålla hyllan/huvudet på plats och kraften som krävs för att justera höjden. Hyllan får inte glida när koppen fylls med kaffe men samtidigt får inte kraften som krävs för att justera hyllan vara så hög att det känns trögt. 7

14 Figur 5, Skiss på lösning med magneter 6.3 Vald lösning Efter diskussion med handledare togs beslut om att det var den steglösa versionen som var den mest attraktiva för både student och företag. Som en säkerhet kunde lösningen med fasta lägen komma att användas om det visade sig att den steglösa versionen inte fungerade. Den steglösa lösningen var den som valdes då den ansågs uppfylla kravspecifikationen bäst. En kravspecifikation för enbart magneter utarbetades för att få en uppfattning om vilka krav som skulle komma att ställas på de magnetsorter som kunde vara intressanta. 7. Magnet 7.1 Kravspecifikation Magnet Stark dragkraft Temperatur oberoende Tids beständig, magnetismen får inte avta med tiden Inte påverka/påverkas av andra föremål i dess närhet Så liten som möjligt i förhållande till styrka Klara avstånd mellan magnet och magnetiskt föremål (2mm) utan att tappa allt för mycket kraft Korrosions beständig 8

15 7.2 Magnetfakta Figur 6, Magneter Då kunskapen om magneter var något begränsad kontaktades Svenska Magnetfabriken för att få information. (För info om Magnetfabriken se kap 13. Referenser) Vd på företaget Magnus Gustafsson var mycket tillmötesgående och tog sig tid att svara på de frågor som fanns. Han skickade även lite varuprover till prototypen. Efter diskussionen stod det klart att det var en Neodym magnet som skulle passa applikationen bäst. Neodym magneter består av Neodymium, Bor och Järn. De tillverkas genom sintringsprocess. Neodym är en magnet som togs fram på 1980-talet och är mycket stark i förhållande till storleken. Som exempel kan tas att en magnet formad som en cylinder med måtten 15 mm i diameter och 5 mm längd har dragkraften 40N (4kg) och skjuvkraften 10N (1kg) när avståndet till magnetiskt material är 0 mm. Vid avståndet 3mm sjunker drag kraften till 5N (0.5 kg) och skjuvkraften till i princip 0N. Egenskaper Neodym Toleranser ±0.1mm Ytbehandling Ni, Zn, Sn, Epoxy Temp.koefficient (Br) -0.11% / C Densitet 7,4-7,6 g/cm³ Curie* temperatur 300 C Tabell 1, Egenskaper Neodymmagnet *Curiepunkt. Den temperatur vid vilken ett ferromagnetiskt material förlorar sin spontana magnetisering. Fördelar Hög energitäthet Magnetiskt stabila tappar 1 % på 100 år Starka i förhållande till storlek Nackdelar Oxiderar i normal rumsmiljö (måste ytbehandlas) Temperatur känslig max arbetstemp på 80 C (Finns dock sorter som tål högre temp om så krävs.) Bör inte slipas, svarvas eller kapas då det förstör ytbehandlingen samt att värmen kan påverka magnetismen. Styrkan avtar snabbt med avståndet. (se Diagram 1) 9

16 Med hjälp av programmet Magnetic Calculator 1.0A togs värden på dragkraften fram (se Diagram 1) Det bör påpekas att detta är teoretiska värden och tester bör genomföras för att komma fram till de egenskaper man söker. Det som kan utläsas ur diagrammet är att drag kraften avtar i princip exponentiellt med avståndet till magnetiskt material. Detta beteende leder till att det blir absolut nödvändigt att se till att avståndet blir så litet som möjligt. Neodym magnet 15x Dragkraft (kg) Avstånd (mm) Diagram 1, Kraft/avstånds kurva för Neodym magnet Ø15mm längd 15mm vid 20 C Positivt med magneter är att det skulle gå att bygga utan att göra hål i dörrväggen. Dock måste väggtjockleken där magneterna sitter hållas så tunn som möjligt då magnetkraften avtar kraftigt med avståndet. Materialet mellan magneterna spelar dock ingen roll så länge det inte är magnetiskt. Fördelarna med att inte ha något hål i dörren är att inget spill kommer in i maskinen samt att vid rengörning kan kopphyllan dras till ett rengörningsläge tas bort, diskas och sen sättas tillbaka utan att någonting behöver skruvas/öppnas. OBS Välj en magnet som tål diskmaskins temperatur och då främst magnetens beläggning som kan vara känslig. Studien visade att det var möjligt att använda magneter i en steglös lösning på problemet bara man tar hänsyn till de begränsningar som Neodym magneten har. Tester för att få fram ungefärliga magnetdimensioner genomfördes och en diameter på 15 mm ansågs vara tillräcklig. Se kapitel 9. Tester. 10

17 8. Konstruktion av prototyp till justerbar kopphylla Justerbar kopphylla var den principlösning som valdes att jobba vidare med och en konstruktionslösning av denna arbetades fram. Nedan följer en sammanfattning av de olika ingående delarna för sammanställning se figur 7. För konstruktionsritningar i 2D hänvisas till bilaga 2 Figur 7, Sammanställning steglös justering med magnet 8.1 Fäste för kopphylla Fästet till kopphyllan är en central del. Den skulle inte bara klara kraven från kravspecifikationen den skulle också användas till att testa fram magneter samt vara enkel att montera olika kopphyllor på. 11

18 Figur 8, Fäste för kopphylla med plats för magneter Fästet för kopphyllan (se figur 8) är uppbyggt så att bakstycket är rektangulärt för att passa in i den vertikala styrskenan. De små spåren som syns på bilden är till för täckplåten. Magneterna placeras i hålen och vilar mot ringen som syns i botten av hålen. Framsidan av fästet är kvadratiskt och där kan kopphyllan enkelt monteras. 8.2 Kopphylla Kopphyllan är en del som kommer att se olika ut beroende på maskinens design. Det viktiga är hur man sätter fast kopphyllan på fästet. Oavsett hur delen man ställer koppen på ser ut så bör bakdelen av hyllan vara utformad så att den kan glida på fästet. En snyggare design på kopphyllan skulle kunna se ut som på figur 9 där syns även den kopphylla som användes till prototypen. Figur 9, Kopphyllor 8.3 Täckplåt Täckplåtens uppgift är att se till att kopphyllan inte kan vicka ut vid överbelastning. Detta är viktigt för om den vickar ut när koppen är full kan man bränna sig ordentligt. Den har också rengörningsläget i toppen av plåten. Där kan hyllan plockas lös för rengörning se figur

19 Täckplåten finns bara på prototypen då dess funktion kommer att uppfyllas av dörren i maskinen. Figur 10, Täckplåt 8.4 Slider Sliderns uppgift är att fungera som styrskena för hyllfäste och se till att det inte kan röra sig horisontellt. Tjockleken på botten i styrspåret ser till att avståndet mellan magneter och magnetiskt material hålls konstant på 2mm och tjockleken på slidern ser till att täckplåten ligger på rätt avstånd i förhållande till fästet. Materialet är fiberbakelit som är ett hårt men lättbearbetat material. Slidern är konstruerad för prototypen och kommer inte att användas i maskinerna där dörrdesignen kommer att se till styrning och avstånd. 8.5 Tillverkning prototyp De detaljer som inte kunde tillverkas internt på företaget skickades iväg för tillverkning. Fästet friformades av Digital Mechanics i Västerås med en teknik som kallas FDM (Fused Deposition Modeling). Täckplåten laser skars på WIPAB i Grums (för mer info om företagen se kap13. Referenser) De olika delarna tillverkades i följande material Fäste PC (polykarbonat) goda mekaniska egenskaper Kopphylla och Täckplåt Stålplåt 2333 ej magnetisk Slider Fiber bakelit (fenolplast) lätt bearbetad Den montering som krävdes skötte studenten själv resultatet syns i figur

20 Figur 11, Färdig prototyp 14

21 9. Test/Utvärdering konstruktion Test för att ta fram ungefärliga magnetdimensioner. Krav: Magneten ska klara av en skjuvkraft på 1kg Avståndet mellan magnet och plåt är 2mm Rätt känsla ska finnas i justeringen Efter diskussioner med Magnetfabriken valdes några olika dimensioner ut, samtliga var Neodym magneter Ø 10 mm längd 10mm och Ø 15mm längd 5, 10och 15mm Dessa magneter testades med hjälp av en tidig prototyp bestående av en plastbit 2 mm tjock, en stålplåt och magneter. Testerna visade att Ø 15mm och längd 15mm var lämplig i styrka, teoretiska värden för denna dimension togs fram för att ha som referenser. De värden som räknats fram med hjälp av Magnetic Calculator 1.0A verkade lovande men de var bara teoretiska så en del tester krävdes för att verifiera att magneterna höll måttet. När prototypen var klar testades konstruktionen i några olika situationer som ansågs relevanta. De magneter som användes var två stycken cylinderformade Neodym magneter Ø 15 mm och en längd på 15 mm. Avståndet mellan magnet och plåt var 2 mm vilket i teorin skulle ge en dragkraft på 2,32 kg per magnet. Skjuvkraften är mycket svår att beräkna så i samråd med Svenska Magnetfabriken bestämdes att inga teoretiska värden tas med på skjuvningen. De måste provas fram. Testmaterial Prototyp bestående av Styrspår för kopphylla: Material Vävbakelit (vävarmerad Fenolplast) Mått 150mm lång 18mm bred 14,5 mm djup Fäste kopphylla: Material Plast PC (Polykarbonat) Kopphylla: Material Rostfri stålplåt SS: 2333 (ej magnetisk) Magneter: Neodym, Ø 15mm längd 15 mm Täckplåt: Material Rostfri stålplåt SS: 2333 (ej magnetisk) Stålplåt: SS: 2320 (magnetisk) 9.1 Långtidstest Utförande Kopphyllan placerades i sitt topp läge med den största koppen fylld med vatten och lämnades över natten. Testet ska simulera att någon använt maskinen och glömt sin kopp under en längre tidsperiod. Vikt 720g + egenvikt 125g Tid 16 timmar Förskjutning 0mm Som förväntat har tiden som magneten utsätts för tyngden ingen betydelse. Förskjutningen i höjdled var obefintlig. 15

22 9.2 Drifttest Kopphyllan placeras i ett godtyckligt läge. Koppen placeras på hyllan och fylls därefter på med vätska. Detta upprepas 10ggr per testserie. Testet ska simulera att maskinen används för samma koppstorlek ett ental gånger utan att höjden justeras. Detta test är svårt att genomföra på ett bra sätt pga. att det är svårt att veta hur hårt normalanvändaren ställer sin kopp på hyllan? Ställer man dit koppen försiktigt dvs. utan att slå emot hyllan är det inga problem för magneten. Är man däremot oförsiktig vid användning så att glaset stöter mot hyllan kommer den att flytta sig. Förflyttningen är ett par mm per gång som koppen slås emot. Detta beteende är ett problem om man kör många cykler i rad med samma koppstorlek. Det är givetvis svårt att ställa dit koppen lika hårt varje gång så testet får ses mer som en referens än ett vetenskapligt test. 9.3 Testresultat Testerna visade att konstruktionen verkar fungera. De magneter som användes i prototypen klarade av de krav som ställts upp. Lösningen blir en kompromiss mellan att hyllan ska klara viktkraven och att den inte får vara för trög att justera. Viktkravet är det dominerande kravet för om inte det uppfylls så kan prototypen inte användas. Det svåraste kravet att uppfylla är känslan då den kan vara olika från person till person. De personer som har fått testa prototypen har gett blandade kommentarer. Positiva kommentarer Lösningen är enkel men smart Bra att den är steglös Bra känsla Enkel rengörning av kopphylla Negativa kommentarer Att justeringen känns trög Trögheten i justeringen är den fråga som kommit upp oftast och det är som nämnts tidigare en kompromiss mellan att klara viktkraven och känslan i justeringen. 16

23 10. Montering av kopphyllan i maskin För att montera justerbar kopphylla i maskinerna finns det några alternativ Modulmontering Hylla, fäste, magneter och slider monteras ihop till en fungerande enhet som sen monteras in i dörren på maskinen. Fördelen med modulmonteringen är att man får en enkel slutmontering av maskin då man har en fungerande kopphylla att sätta in. Enheten kan köpas in färdig från underleverantörer. Nackdelar med en sådan lösning är att den kräver ett hål i dörren anpassat efter modulen. Kan bli svårare att anpassa efter olika maskiner Detaljmontering Fästet, hyllan och magneter monteras ihop till en enhet (om de inte är tillverkade i en del). Styrspåret görs i dörren redan när den designas med rätt tjocklek där magneten ska arbeta. Plåten som magneten ska jobba emot finns i stommen till dörren. Finns ej magnetiskt material i stommen till dörren kan en plåt monteras på baksidan plasten. Fördelar med detaljmontering är att inget hål krävs i dörren och att det kan bli enklare att anpassa kopphyllan till olika maskiner. Nackdel är att plasten i dörren blir mer komplicerad att tillverka. 17

24 11. Design ide Då lösningen efter tester såg ut att kunna fungera togs en design ide fram för att visa hur en maskin med justerbar kopphylla skulle kunna se ut. Figur 12, Kaffemaskin med justerbar kopphylla Maskinen i figur 12 är studentens egen vision om hur en kaffemaskin med justerbar kopphylla kan se ut. På denna maskin finns alla knappar i en touchdisplay som sitter i tapphuvudet. Det som syns på bilden är en skärmsläckare som visas när maskinen står i standby läge. Fästet till kopphyllan har välvd baksida för att passa på stålplåten i mitten av maskinen,en plan yta finns mitt på för att magneterna ska få rätt avstånd till plåten. 18

25 12. Diskussion Konkurrentanalysen visar att flera av Coffee Queens konkurrenter har justerbart tapphuvud eller kopphylla på sina maskiner. De flesta är manuella men det finns även motordrivna t.ex. Saeco Primeas Touch Lift. Det är därför bra om Coffee Queen i sina kommande maskiner har med den funktion på de maskiner som gör olika sorters kaffe. Det skulle kunna vara en av de nya funktionerna att visa upp i marknadsföringen av de nya maskinerna. Flera andra märken använder möjligheten att justera höjden för koppar i sin reklam. Examensarbetet har lett fram till två principlösningar på grundproblemet med olika stora koppar och efter utvärdering av lösningarna valdes justerbar kopphylla ut som den att detaljkonstruera och bygga en prototyp av. Fördelen med den lösningen är förutom att den är steglös att om man använder sig av magneter så kan man bygga in den i maskinen utan att göra hål i dörrväggen. Detta kräver då att väggen inte är tjockare ä 2 mm där magneterna ska sitta. Känslan kan också uppnås på ett bra sätt med hjälp av magneter. En nackdel med lösningen som den är konstruerad nu och som visade sig i testerna är att kopphyllan glider om man ställer på koppen för hårt. Detta är ett problem för om man vill ha en steglös inställning med bra känsla så kan inte magneterna vara för starka för då orkar man inte justera hyllan på ett bekvämt sätt. Tänkbara utvecklingsmöjligheter Då de maskiner som enheten ska finnas i inte är designade än så är det första jobbet att designa själva kopphyllan så att den passar in i de olika maskinerna. En ide som skulle spara pengar samt underlätta i montering är att bygga samman fästet och kopphyllan och tillverka båda i plast. Då kunde magneterna gjutas in i plasten. Det skulle skydda magneterna från korrosions angrepp. Men då måste magneter som tål värmen från tillverkningen användas. I bilaga 3 finns förslag på olika plastsorter som skulle kunna användas till en sån hylla. Idéer för att förbättra känslan skulle kunna vara att använda en mekanism som när man ska justera hyllan ökar avståndet mellan magneterna och magnetsikt material. En mer avancerad lösning vore att använda elektromagneter som slås av när man vill justera höjden och på när koppen står på hyllan. Om man vill använda sig av den andra principlösningen alltså att ha ett justerbart tapphuvud istället krävs att man konstruerar en ny enhet där slangar, anslutningar, munstycken och liknande får plats. Samma fäste som till kopphylle lösningen bör gå att använda. Uppföljning av kravspecifikationen Under utvecklings arbetets gång har de nya idéer som uppkommit jämförts med kravspecifikationen för att lättare kunna sortera bort de som varit mindre bra. I tabell 2 visas en uppföljning av kraven. Krav Uppfyllt Ej uppfyllt Mekanik Höj och sänkbar för olika stora koppar ca 150mm, helst steglös justering Klara av en vikt på ca 1 kilo (Största koppen med kaffe i väger ca 720gram) 19

26 Plats för kaffe kanna Tyst och mjuk höjdreglering Avtagbar för enkel rengörning Utrymme för tre munstycken samt de slangar/anslutningar som behövs Fästen för montering på maskin Ingående delar, kompakt utformning dvs. de delar som inte hör till det rent designmässiga ska vara så kompakta som möjligt Driftsäkerhet, modulen ska tåla minst lika många cykler som resten av maskinen Design Plats för tre munstycken, alternativt en kopp Estetisk, Smälta in bra med resten av maskinen Plats för företagslogotyp Material Metall (rostfritt stål 2333, aluminium) Plast (ABS, POM, PP) Känsla Modulen ska se ut och kännas lyxig Miljö Motstå de olika miljöer den utsätts för Värme (ca.100 C) Vätskor (vatten, kaffe, te, diskmedel) Vattenånga Inte släppa ifrån sig kemikalier som kan ge drycken dålig smak färg eller liknande. De delar som är i kontakt med drycken ska vara FDA godkända Klara av stötar t ex. en kopp som slås mot modulen Vara säker för användaren, man ska inte kunna bränna eller klämma sig vid användning av maskinen Ekonomi Billig att tillverka Enkel konstruktion som ger enkel service Använda så mycket standard delar som möjligt Linjärstyrning, skruvar och slangar Tabell 2, Uppföljning av kravspecifikation 20

27 Kommentarer på de krav som inte är uppfyllda. Kravet om plats för munstycken/slangar är ett krav som bara gäller om man vill använda lösningen med att flytta tapphuvudet. Kraven om estetik och plats för logotyper måste tas hänsyn till när kopphyllan designas efter den maskin den ska sitta på. Kravet att tåla stötar uppfylls vid normal påställning av koppen på hyllan. Slår man i koppen för hårt kommer hyllan att sjunka något. Vid användning av magneter så kommer inte hyllan att klara hur kraftiga stötar som helst. Kravet om att använda så mycket standard delar som möjligt var svårt att tillgodose efter att beslutet om att konstruera en egen lösning på problemet. De krav som uppfyllts bäst är kraven om enkelhet och steglös justering. Om enhet blir billig att tillverka beror mycket på hur designen på kopphyllan kommer att se ut då verktyg för tillverkning av plastdetaljer kan var dyra. De är förvisso en engångskostnad men lönsamheten beror på hur stora volymer som tillverkas. Miljökraven uppfylls om man väljer rätt material tex. Någon av de plaster som föreslås i bilaga 3. Känslan är svår att sätta uppfylld eller inte på då den kan skilja mellan olika personer. Större tester krävs för att komma fram till en känsla som alla kan acceptera. Uppföljning av projektmål Målet med arbetet var att ta fram lösnings förslag på problemet med olika stora kaffe koppar konstruera en lösning och bygga en prototyp. När arbetet avslutades i början av januari 2007 fanns det ritningar på en lösning till problemet samt en prototyp att testa funktionen på. De uppsatta målen var uppnådda. 21

28 13 Referenser 13.1 Intervjuer Peter Larsson R&D Coffee Queen AB, Löpande under projekttiden Magnus Gustafsson/VD Svenska Magnet Fabriken AB, Nov-Dec 06 Stig Bengtsson e-post Löpande under projekttiden Internet Företag Coffee Queen AB Vink AB Digital Mechanics Svenska Magnet Fabriken Jura Saeco Schaerer Uppslagsverk via studentportalen Nationalencyklopedin Oxford ordbok

29 Bilaga 1 Konkurrentanalys Jura Maskinen på bild 1 är Juras Z5 maskin med höj och sänkbart kaffeutlopp, justeringen sker manuellt. Under projektets gång har några av Juras maskiner studerats live för att få inspiration. Känslan i justeringen d v s motståndet känns mycket bra. Hela maskinen andas lite lyx. Kannan bredvid maskinen på Figur 1 är en mjölkbehållare. På Figur 2 syns F50 modellen den har samma höjdregleringsfunktion med lite annan design. Figur 1, Jura Z5 Figur 2, Jura F50 1

30 Saeco Efter att iden med justerbar kopphylla diskuterats söktes en sådan lösning bland konkurrenterna och Saecos maskiner var ett bra exempel på denna typ av lösning. På figurerna 3 och 4 syns Saeco Primea som har ett fast tapphuvud och en motordriven justerbar koppbricka, systemet kallas Touch lift. Ett tryck på knappen och brickan ställs automatiskt in på rätt höjd. Figur 3, Saeco Primea Figur 4, Närbild på koppbricka 2

31 Schaerer Schaerer har i sin maskin serie Coffee Celebration en variant av justerbart tapphuvud som är lite annorlunda. figur 5 visar en närbild på hur tapphuvudet ser ut. Maskinen tas med här i bilagan för att visa på hur olika maskinerna kan se ut fast det i grunden är samma lösning på problemet med olika stora koppar. figur 6 visar hela maskinen Coffee Celebration Figur 5, Närbild tapphuvud Figur 6, Schaerer Coffee Celebration Model BC 3

32 A B R10x x 2 C 40 D x 2 15, , E UNLESS OTHERWISE SPECIFIED: DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS SURFACE FINISH: TOLERANCES: LINEAR: ANGULAR: FINISH: DEBUR AND BREAK SHARP EDGES DO NOT SCALE DRAWING REVISION 1 F DRAWN CHK'D APPV'D MFG Q.A NAME PMB SIGNATURE DATE MATERIAL: PC (polykarbonat) TITLE: Bilaga 2 Fäste kopphylla DWG NO. 1 A4 WEIGHT: SCALE: 1:1 SHEET 1 OF 4

33 A 2 x6 5 1 B 25,50 25 C D E UNLESS OTHERWISE SPECIFIED: DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS SURFACE FINISH: TOLERANCES: LINEAR: ANGULAR: FINISH: DEBUR AND BREAK SHARP EDGES DO NOT SCALE DRAWING REVISION 1 DRAWN CHK'D APPV'D NAME PMB SIGNATURE DATE TITLE: Bilaga 2 Täckplåt F MFG Q.A MATERIAL: 1 mm Rostfri stålplåt 2333 (icke magnetisk) DWG NO. 4 A4 WEIGHT: SCALE: 1:2 SHEET 4 OF 4

34 A B 15,50 14,50 1 C , D 200 E UNLESS OTHERWISE SPECIFIED: DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS SURFACE FINISH: TOLERANCES: LINEAR: ANGULAR: FINISH: DEBUR AND BREAK SHARP EDGES DO NOT SCALE DRAWING REVISION 1 DRAWN CHK'D APPV'D NAME PMB SIGNATURE DATE TITLE: Bilaga 2 Slider F MFG Q.A MATERIAL: fiberbakelit (Vävarmerad fenolplast) DWG NO. 3 A4 WEIGHT: SCALE: 1:2 SHEET 3 OF 4

35 A 62,29 43,15 B C D , E 1 UNLESS OTHERWISE SPECIFIED: DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS SURFACE FINISH: TOLERANCES: LINEAR: ANGULAR: FINISH: DEBUR AND BREAK SHARP EDGES DO NOT SCALE DRAWING REVISION 1 F DRAWN CHK'D APPV'D MFG Q.A NAME PM SIGNATURE DATE MATERIAL: 1mm plåt (2333) TITLE: Bilaga 2 Kopphylla DWG NO. 2 A4 WEIGHT: SCALE: 1:2 SHEET 2 OF 4

36 Bilaga 3 Material Plastdetaljer Materialval Rörligkopphylla: Plastdetaljer Krav: Temperaturintervall grader Kemikaliebeständigt (vatten, kaffe, rengöringsmedel) Mekaniska egenskaper (slagtåligt, nötningsbeständigt, formfast, lättbearbetat) Utseende (förkromning, lack, polering) Prisvärt Livsmedelsgodkänt FDA (Amerikanska standard) och BGA (tysk standard) PA Positiva Egenskaper Negativa Mekanisk styrka Kemisk resistens Hög utmattningsstyrka Vibrationsdämpande Resistent mot många lösningsmedel och baser Vid modifiering/förstärkning Mycket hög styrka/styvhet Tåla höga temperaturer Liten friktionskoefficient Kan ta upp och avge fukt. Bryts ner av UV-strålning Bryts ner av många syror Användningsområden PA används inom en mängd olika områden och kan fås godkänd av både (FDA) och (BGA). Temperaturintervallet kan anpassas till att passa kravet på C. ABS Egenskaper Positiva Hög slagstyrka Bra styvhet/formstabilitet God ytfinish Bra motstånd mot spänningssprickbildning God bearbetbarhet Negativa UV-strålning Tål inte starkare lösningsmedel så bra Användningsområden 1

37 ABS används ofta inom oråden där design och vackert utseende prioriteras och där man behöver ett brett spektrum av bra materialegenskaper t ex leksaker hushållsmaskiner. Kan normalt användas med livsmedel. Temperaturintervall -40 C till 85 C kan anpassas till högre/lägre temperaturer. ABS kan med fördel termoformas. PP Egenskaper Positiva God kemisk resistens Hög utmattningsstyrka Tål varmvatten/ånga Hög elektrisk isolering Negativa Användning vid minusgrader Kallflytning vid hög mekanisk påverkan Tål UV-strålning dåligt Dålig slitstryka Tål inte starka oxidationsmedel Användningsoråden PP används ofta inom områden som kräver god kemikalieresistens. PP sampolymeras/blandas ofta med andra polymerer t ex i delar till bilar och tvättmaskiner. Man kan få PP godkänd enligt FDA och BGA. Temperaturintervall 0 C till ca 110 C. Kan termoformas. POM Positiva Egenskaper Negativa Bra mekaniska egenskaper Hög utmattningsstyrka Dämpande egenskaper Stort temperaturanvändningsområde Resistent mot många kemikalier Bör undvikas vid kontakt med: UV-strålning Varmvatten mineralsyror oxiderande kemikalier Användningsområden POM används brett inom industrin tex till glidlager, kugghjul, och skruvar. POM är godkänd av FDA och (BGA). Plastens temperaturintervall ligger från -50 C till C. 2