Transcript 7.2 Detaljkonstruktion

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.
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.
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.
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.
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
3000st/år
Hänvisning
Fig 3.22
Fig 3.13.5
Fig 3.7
Fig 3.103.12
Komponent
Beskrivning
Material
Primärprocess
Kåpan
Termo plast
Vacuum
forming
Sheet metal
forming
Sheet metal
forming
Aluminiumlegering
Rostfritt stål
Ställning
Ramen
Formkomplexitet
C5
Volym, Vf (mm3)
Wc
1845*104
C5
V (V=Vf*Wc)
Pc
Cmp
Cc
1,2
Cmt
(SEK/mm3)
0,18*10-3
2214*104
30
1
4
1845*104
1,6
0,83*10-3
2952*104
20
1
2,5
C5
1845*104
1,6
2,06*10-3
2952*104
20
1,5
2,5
Aluminiumlegering
Låglegerat
kolstål
Sheet metal
forming
Sheet metal
forming
C3
568*104
1,4
0,83*10-3
795,3*104
20
1
1,5
C3
568*104
1,4
0,41*10-3
795,3*104
20
1,2
1,5
Stållegering
Casting
C1
5519,4*103
1,2
1,57*10-3
6623,28*103
20
1
1,5
Stållegering
Rolling
C1
5519,4*103
1
1,57*10-3
5519,4*103
30
2
1,5
Sektion(mm)
Fig 3.133.15
Cs
Tolerans(mm)
Fig 3.163.18
Ct
>0,4
2,4
0,05
0,4<t<5
1,7
0,4<t<5
Fig 3.19-3.21
Cf
Cft (max av Ct och Cf)
Rc (Rc=Cc*Cmp*Cs*Cft)
Mi (kost. i pence)
1,5
Ytfinhet,
Ra(μm)
0,5
1
1,5
14,4
4417,2
0,05
2,2
0,5
1
2,2
9,35
24688,6
1,7
0,05
2,2
0,5
1
2,2
14,025
61091,7
>0,4
1,7
0,05
4,5
0,5
2,2
4,5
11,475
6830,5
>0,4
1,7
0,05
4,5
0,5
2,2
4,5
13,77
3536,13
egalt
1,5
0,05
2,3
0,5
1,3
2,3
3,45
10467,6
egalt
1,5
0,05
1,8
0,5
1
1,8
8,1
8908,5
Assemblykostnader
Utöver grovkostnader för tillverkningen av komponenterna tillkommer för några utav dem
(ställningen och ramen) kostnader för att foga samman detaljerna. Dessa beräknas enligt:
, där
För ramen blir den adderande assemblykostnaden med svetsning som fognings metod följande:
Där
och
vilket ger:
Och för F gäller
Med
,
och
Såleds
Vilket ger totala assemblykostnaden för komponenten
sammanhanget.
, dvs en obetydlig kostnad i
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.
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
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.
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.
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.
Bilaga 2, ritningar
Hölje
Keramikplatta
Bottenplatta