Steg 7 Konstruera konceptet, del 2. IKOT D1 tisdag den 21 april 2009

Transkript

1 D1 Steg 7 Konstruera konceptet, del 2 0

2 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 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 CAD-modell figur Ritning av koncept 1

3 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 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 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: 2 - Nodulärt kolstål (även kallat segjärn) - Gråjärn

4 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 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. Antaganden: Seriestorlek: enheter Årstillverkning: 500 enheter/år Arbetarlön: C 1 = 0.31 pence/s Pris på aluminum från: Aluminium: US$/ton C mt = US$ ton ton US$ m 3 = = m pence/m3 Pris på järnmalm från: Järnmalm: 55 US$/ton C mt = US $ ton ton US$ m 3 = = m pence/m3 Beräkningsformler: M c = V C mt W c (1) R c = C c C mp C s C ft (2) M i = M c + R c P c (3) figur Antaganden för beräkningar i inlämningen Ring Ringens principiella utformning består av, som beskrivs i föregående inlämning under Ring, en flytande komponent (benämnd ring nedan), en kam, en damask och ett fäste. 3

5 Fäste Damask Kam Ring figur 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 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. A3 A1 Höga ytfinhets- och toleranskrav Någorlunda komplexa geometrier kan hanteras Near net shape eller fulländad Ring och kam samextruderade A2 Bra hållfasthetsegenskaper Minsta godstjocklek: 1mm Hög maskinkostnad Stora seriestorlekar 4 figur Benämningar enligt kostnadsberäkningar Svårt att svetsa i aluminium

6 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 ) B4 Höga ytfinhets- och toleranskrav möjliga B1 B3 Billigt Många dimensionsmöjligheter Ring och kam sammansvetsade Svårt att svetsa i aluminium B2 figur Benämningar enligt kostnadsberäkningar 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 m 3 C mt W c Design A A1 Damask Gummi Fogning C A2 Ring Aluminium Varm extrudering A1 0, A3 Fäste Aluminium Bockning C Design B B1 Damask Gummi Fogning C B2 Ring(enkel) Aluminium Varm extrudering A1 0,

7 B3 Kam Aluminium Valsning C B4 Fäste Aluminium Bockning C P c C c C mp Sektion [mm] C s Tolerans [mm] C t Surface finish [μm Ra] C f C ft (1), (2) & (3) ger: figur Kostnadsberäkningar M i,ringa = 0, = pence M i,ringb = 0, = 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 Val av tillverkningsprocess för ring Man kan tydligt se i 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. 6 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

8 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) 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 Bassäng. Inre bassängvägg Yttre bassängvägg Fundament figur Bassängens principiella design 7

9 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 A1 figur Benämningar enligt kostnadsberäkningar Design B Sandformsgjutning av grovkropp följt av fräsning 8 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

10 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 B1 B2 figur Benämningar enligt kostnadsberäkningar Kostnadsberäkningar för bassängprocesser Del Beskrivning Material Primär process Form kompatibilitet Volym cm 3 C mt W c Design A A1 Bassäng Gjutjärn Sandforms gjutning B2 0, Design B B1 Fundament Gjutjärn Sandforms gjutning B1 1, B2 Bassäng Gjutjärn Fräsning (CNC) B

11 P c C c C mp Sektion [mm] C s Tolerans [mm] C t Surface finish [μm Ra] C f C ft figur Benämningar enligt kostnadsberäkningar (1), (2) & (3) ger: M i,bass änga = 0, = pence M i,bass ängb = M gjut + M fräs = 1, = 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 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. 10 För bassängen stämmer den konstadsmässiga motiveringen (enligt ) överens med den teoretiska motiveringen( ) av tillverkningsprocess. Det teoretiska valet av tillverkningsprocess

12 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 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 Kostnadsberäkning för montering av ring Delar Fogningsmetod Material A h P 0 P g H A f P f P a F C ma B2,B3 MIG-svetsning Aluminium

13 B1,B3,B4 Polyuretanlimning Gummi/ Aluminium/ Stål B4 MIG-svetsning Stål figur 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 nedan) Kostnadsberäkning för montering av bassäng Delar Fogningsmetod Material A h P 0 P g H A f P f P a F C ma A1 Bultning Stål/segjärn figur 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 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 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. 12 Filtret har inte tagits med i ovanstående text då det liksom pumpen tillhandahålls av leverantör.