7.2 Detaljkonstruktion

Transkript

1 7.2 Detaljkonstruktion En CAD-modell av produkten och dess komponenter tas fram för att fastställa design och utformning. Att se en visuell modell är också till hjälp för att upptäcka vissa problem och svårigheter med konstruktionen som tidigare inte vägts in, hur olika komponenter interagerar med varandra, hur och var de är sammanfogade etc. CAD-modell och ritningar kommer vara till stor hjälp vid prototyptillverkningen för att undvika eventuella diskussioner och missuppfattningar om hur den ska konstrueras.

2 Kåpan Kåpans uppgift är att skydda motorn och andra komponenter från yttre påfrestningar. Den kommer att tillverkas i ett stycke för att minska antalet komponenter och monteringstid. Kåpan fäster i bottenplattan med hjälp av knäppen. I kåpans ovansida kommer en krok att fästas för att underlätta avmontering vid service av motorn. I kåpans framsida finns ett hål för soltråleinsläpp. Utanpå framsidan fästs keramikplattan. På kåpans baksida monteras ett ventilationsgaller med filter. Ställningen Ställningen ska fungera som en upphängningsanordning för den fläkt som ska finnas för att kyla och ventilera motorn. I de fyra armarna som står upp är det frästa spår för monteringen av fläkten. Ställningen fästs med skruvar i bottenramen. Bottenramen Bottenramen är återanvänd från Cleanergys konstruktion. Dess syfte är att bära motorn och ställningen. Det finns fyra fästpunkter för motorn och fyra för ställningen.

3 Proppen Proppen ska täppa till hålet för solintaget då solkraftverket är i viloläge. Den består av en rund platta med ett spår för bättre tätning. Plattan är skruvad på en arm som är kopplad via en växellåda till en elmotorn. Elmotorn är fäst i bottenplattan. Bottenplattan I bottenplattan kommer kåpan fästas med hjälp av knäppen som är fastmonterade på den upphöjda kanten. På den utstickande delen kommer propp och elmotor fästas. Det finns även ett hål för montering av ventilationsgaller. En sarg placerar kåpan och håller även tätt. Knäppen Sex stycken knäppen av denna utformning kommer fästa kåpan i bottenplattan. Den ena delen av knäppet kommer att skruvas fast i bottenplattans upphöjda kant och den andra delen i kåpans nederkant.

4 Keramikplatta En keramikplatta monteras på kåpans framsida med fyra bultar. Plattan har ett hål för solkronan. Hålets tillförslutning (proppen) underlättas av ett spår kring hålet. Plattans volym är reducerad utan att det påverkar skyddseffekten. 7.3 Kostnadsuppskattning För att utvärdera och analysera olika material- och processalternativ för olika komponenter görs en kostnadsuppskattning enligt Swift. Metoden jämför olika processvals ekonomiska inverkan utifrån material och önskad design. Den beräknade kostnaden ses som en relativ jämförelse mellan olika val, snarare än en exakt tillverkningskostnad. Den mest ekonomiskt lönsamma processen behöver inte alltid sammanfalla med det ingenjörsmässigt bästa valet. Det är därför nödvändigt att studera tillverkningsalternativen för att kunna dra slutsatser efter vad kunden vill åt och jämföra med kravspecifikation med avseende på kostnad och teknik. För att tillämpa en kostnadsberäkning enligt Swift väljs lämpliga material och den årliga tillverkningsvolymen. Dessa parametrar ger förslag på tillverkningsmetoder i en processinformationskarta. De föreslagna metoderna undersöks och gallras bort utifrån komponentens utformning, materialval och konsultation med expertgruppen. För de processalternativ som känns lämpliga och realiserbara görs en kostnadsberäkning. Kostnadsberäkningarna görs på de viktigaste komponenterna ur kostnadssynpunkt, där störst ekonomisk vinst kan göras. De mindre viktiga komponenterna i detta fall utgörs av de komponenter där material och processval har en liten bredd och är mindre ekonomiskt påverkbara. Höljet Höljet kan tillverkas i en aluminiumlegering, i rostfritt stål eller i en glasfiberarmerad polyester med ett gelcoat överdrag utifrån de egenskaper som kravspecifikationen kräver. Det rostfria stålet har bättre korrosionsegenskaper men aluminium är fördelaktigt med avseende på vikt och materialkostnad. Den glasfiberarmerade polyestern är ett intressant alternativ, trots att den inte garanterat uppfyller alla krav som är ställda på produkten, med hänsyn till att plaster ofta är ett lätt och billigt material. För kostnadsberäkning av aluminium- och stålhöljet väljs dragpressning som metod. Metoden används vanligen för mindre komponenter än i detta fall men tack vare en enkel geometri kan processen vara möjlig. Tillverkningsmetoden vakumpressning väljs för kostnadsberäkning av plasthöljet.

5 Bottenramen Ramen med bottenplattan är en annan komponent som är viktig att analysera ur kostnadssynpunkt. Den har en komplicerad geometri och rätt processval kan vara lönsamt. Denna komponent bör tillverkas i ett hållfast material för att orka bära upp motorn och höljet, men kräver inte lika höga krav på tålighet mot yttre påfrestningar då den är innesluten i skyddet. Ramen väljs att kostnadsberäknas för två olika tillverkningsmetoder, gjutning och svetsning. Ställningen Ställningen utsätts inte för några större mekaniska påfrestningar då den endast ska bära fläkten och är innesluten i kåpan. En kostnadsberäkning för denna komponent görs på profiler i aluminium och låglegerat kolstål. Beräkningsmetod Enligt metoder från Swift och Booker: där kostnad för ideal process materialvolym kostnad material per volymenhet relativkostnads konstant relativa kostnaden associerad med lämplig materialprocess geometrikomplexitet godstjocklek ytfinishkoefficient toleranskoefficient

6 3000st/år Hänvisning Fig 3.22 Fig Komponent Fig 3.7 Fig Beskrivning Material Primärprocess Formkomplexitet Volym, Vf (mm 3 ) Wc Cmt V (V=Vf*Wc) Pc Cmp Cc (SEK/mm 3 ) Kåpan Termo plast Vacuum C5 1845*10 4 1,2 0,18* * forming Aluminiumlegering Sheet metal C5 1845*10 4 1,6 0,83* * ,5 forming Rostfritt stål Sheet metal forming C5 1845*10 4 1,6 2,06* * ,5 2,5 Ställning Aluminiumlegering Låglegerat kolstål Sheet metal forming Sheet metal forming C3 568*10 4 1,4 0,83* ,3* ,5 C3 568*10 4 1,4 0,41* ,3* ,2 1,5 Ramen Stållegering Casting C1 5519,4*10 3 1,2 1,57* ,28* ,5 Stållegering Rolling C1 5519,4* ,57* ,4* ,5

7 Fig Fig Sektion(mm) Cs Tolerans(mm) Ct Ytfinhet, Ra(μm) Fig Cf Cft (max av Ct och Cf) Rc (Rc=Cc*Cmp*Cs*Cft) Mi (kost. i pence) >0,4 2,4 0,05 1,5 0,5 1 1,5 14,4 4417,2 0,4<t<5 1,7 0,05 2,2 0,5 1 2,2 9, ,6 0,4<t<5 1,7 0,05 2,2 0,5 1 2,2 14, ,7 >0,4 1,7 0,05 4,5 0,5 2,2 4,5 11, ,5 >0,4 1,7 0,05 4,5 0,5 2,2 4,5 13, ,13 egalt 1,5 0,05 2,3 0,5 1,3 2,3 3, ,6 egalt 1,5 0,05 1,8 0,5 1 1,8 8,1 8908,5

8 Assemblykostnader Utöver grovkostnader för tillverkningen av komponenterna tillkommer för några utav dem (ställningen och ramen) kostnader för att foga samman detaljerna. Dessa beräknas enligt: För ramen blir den adderande assemblykostnaden med svetsning som fognings metod följande:, där Där och vilket ger: Och för F gäller Med, och Såleds Vilket ger totala assemblykostnaden för komponenten sammanhanget., dvs en obetydlig kostnad i

9 Materialval Höljet Vid val av material till höljet har en del olika aspekter prioriteras som lågt pris, låg densitet, hållfasthet, goda korrosionsegenskaper, bra UV-beständighet och hållbarhet. Utifrån kostnadsberäkningarna framkom som väntat att plast var billigast, rostfritt stål dyrast och aluminium däremellan. Det är värt att notera att plast blev det billigaste materialet för tillverkning pga. att kostnaden för råmaterialet var så lågt. Aluminium hade högre råmaterialkostnad men lägre bearbetningskostnad. Fler aspekter än priset måste dock vägas in vid materialval och även om plast skulle vara det mest fördelaktiga valet ur kostnadssynpunkt har det visats sig olämpligt utifrån andra perspektiv. Genom Antal Boldizar (plastexpert) framkom det att det inte skulle vara passande att använda plast för denna konstruktion då ingen plast skulle klara den höga UV-bestrålningen under någon längre tid. Alltså kan det inte garanteras någon åldringsbeständighet i de aktuella miljöerna. Valet faller slutligen på en aluminiumlegering. Fördelarna som rostfritt stål besitter gentemot aluminium är bättre korrosionsegenskaper och bättre hållfasthet. Dock anses det möjligt att finna en aluminiumlegering med tillräckligt goda hållfast- och korrosionsegenskaper för ändamålet. Dessutom har aluminium ett mycket lägre pris, lägre densitet och är lättare att bearbeta. Ställning Beräkningarna ovan visar att ställningen blir mer kostnadseffektiv om den tillverkas i låglegerat kolstål än i aluminium. I modellen utgörs beräkningarna på seriestorleken 5000 per år, vilken anses som en seriestorlek låg till medel. Med antaganden om att det finns leverantörer som tillverkar större serier för de enkla profilerna som utgör ställningen, förmodas det att kostnaderna blir lägre. Aluminium är ett förekommande material för tillämpningar som profiler. Det är dessutom fördelaktigt med avseende på vikt och bearbetning. Bottenramen Gjutningsalternativet är ifrågasatt på grund av de ortogonala gränserna mellan de smala profilerna och även att standardiserade profiler (ihåliga) ger en lägre vikt. Vad som är intressant i beräkningen är att de stora materielvolymerna påverkar den totala kostnaden markant mer än vad fogningskostnaden bli, och därför är materialspillet i gjutningsprocessen en avgörande faktor som höjer priset. Beräkningar visar att assamblykostnader för svetsning inte är så omfattande som förväntat. Svetsning av valsade balkar ger lägre vikt, lägre pris dessutom underlättas emballage och transport. Därför väljs svetsning av balkar som tillverkningsmetod.

10 7.4 DFM Design for manufacturing (DFM) är en metod för att analysera om en produkt eller en funktion av en produkt går att utveckla med avseendet på att förenkla tillverkningen. Tanken är att optimera designen av produkten så att kostnaden för tillverkningsprocessen blir lägre. Det är därför viktigt att identifiera vilka komponenter som är kostsamma och försöka att reducera dem. Används metoden på rätt sätt finns det mycket tid att vinna i tillverkningsprocessen. Enligt värdemodellen delas DFM upp i fem olika delar. Beräkning av tillverkningskostnad Kostnader för olika komponenter beräknas med avseende på tillverkningsprocess Val av tillverkningsprocess De olika tillverkningsmetoderna för komponenterna jämförs. Valet påverkar produktens kostnader och kvalitet. Här tas också ett beslut om vilka komponenter som ska standardiseras och köpas in från underleverantörer. Förenkla och optimera tillverkningsprocessen Även om tillverkningsprocessen är given är det nödvändigt att undersöka möjligheten om att optimera den genom att reducera antalet processteg. Förenkla utformningen En vanlig orsak till höga tillverkningskostnader är antalet komponenter. Det är därför alltid lönsamt att försöka reducera och integrera komponenterna. Det är också önskvärt att använda så få unika delar i produkten som möjligt, till exempel kan man försöka använda sig av en slags skruv för flera olika delar. Anpassa utformning för tillverkningsprocess Trots att utformningen redan är fastställd går det alltid att göra små förändringar som kan ha betydelse för tillverkningen. Exempelvis kan det vara fördelaktigt att göra en asymmetrisk bit symmetrisk för att förenkla monteringen. Då kravspecifikationen tidigt ställt krav på en massproduktionsvänlig och billig konstruktion har faktorer som underlättar detta varit i åtanke under hela konceptgenereringen. Det har påverkat valet av en homogen kåpa istället för lösa plattor fastsatta i en ställning. Resultatet av detta ger färre antal komponenter vilket ofta förenklar tillverkningsprocessen och en minskar tillverkningskostnaden. Kåpan har också minskat antalet sammanfogningar i produkten, vilka ofta är tidsödande och svåra under tillverkning och montering. Av samma anledning önskas även bottenramens fogningar att reduceras, därför skulle det kunna vara fördelaktigt med en gjutprocess för denna komponent. Själva kåpans utformning har efter konsultation om tillverkningsmetoder med Gustav Holmqvist förändrats från ursprungsidén. Tanken var från början att höljet inte skulle ha någon framsida, och att keramikplattan skulle sättas fast i ramen. Dragpressningsmetoden ger en geometri liknande ett

11 badkar, alltså har kåpan en framsida. Så för att undvika onödigt spill och en mer komplicerad ram monteras keramikplattan direkt i ramen. De olika komponenterna har valts att skruvas ihop med standardiserade skruvar.

12 Bilaga 1, Vindsimulering Den enda yttre last kåpan utsätts för är väder och vind. För att se hur den klarar påfrestningarna görs en vindsimulering. Antaganden Vindhastighet = Jämnt fördelat tryck på ena sidan av kåpan, (vind rakt mot ena långsidan). Följande uttryck är en förenklad strömningsmekanisk modell, hänsyn till solkraftverkets arm och avrundade hörn har ej tagits. Det ger: Trycket fördelas över långsidan på. Simulering Uträknat tryck används i Autodesk Inventors FEM-applikation. Ytterligare förenkling görs genom att hela kåpans yta i underkant sitter fast, (constrained). Spänningsanalys med avseende på vind.

13 Som synes i bilden ovan utsätts kåpan för ca 4 MPa på mitten, vilket är långt under materialets sträckgräns. Det röda området i nederkant ser annorlunda ut i verkligheten då det ligger en tre centimeter hög sarg innanför samt att den sätts fast med sex knäppen runt om. Sidans utböjning studeras i samma applikation. Maximal utböjning erhålls på mitten med ca 3,8 mm. Resultatet är godtagbart med tanke på sidans yta på 1,5 kvadratmeter. Utböjning med avseende på vind.

14 Bilaga 2, ritningar Hölje

15 Keramikplatta

16 Bottenplatta