IKOT 2010
Automatisk Luddborttagning
Produkt- och Produktionsutveckling
Handledare: Göran Brännare
E2:
Robin Andrén
Lucas Börjesson
Oskar Eklund
Kristoffer Rexmyr
Erik Wendeberg
2010-04-30
Sammanfattning
Rapporten behandlar utveckling av en lösning för automatisk luddborttagning i torktumlare.
Problemet med dagens luddfilter är att de måste tömmas manuellt efter användning, görs inte detta
försämras både prestanda och livslängd på torktumlaren.
Uppdraget kom från vitvarutillverkaren Asko-Cylinda för att stärka deras position på marknaden och
även ge dem ett bredare sortiment. Projektet omfattar endast luddborttagningen och inte
torktumlarens övriga funktioner. Diverse metoder har använts vilka alla haft som mål att öka
produktens kundvärde och att se till att den slutgiltiga produkten motsvarar kundernas önskemål och
förväntningar.
Det koncept som har utvecklats består av en nylonduk som
spänns upp runt två cylindrar. Dessa roteras av en rem som drivs
av en elektrisk motor. Filtret kan liknas vid ett rullband, mot
rullbandet ligger två skrapor, en på var sida av duken. Ludd
ansamlas på filterduken när torktumlaren används. Efter slutförd
torkning matas duken runt ett varv och skraporna avlägsnar
luddet från duken och det faller sedan ner i en behållare.
Beräkningar har gjorts för att se till så att produkten klarar de
påfrestningar den utsätts för och även för att minimera materialoch tillverkningskostnader. Produkten har anpassats för att
minimera antalet olika komponenter och förenkla dessa för att
underlätta tillverkningen.
Bild på slutgiltig produkt
En prototyp har tillverkats, men det återstår fortfarande många åtgärder innan produkten är redo att
integreras i torktumlaren. Driftstester behöver sen utföras innan produkten kan introduceras på
marknaden.
Innehållsförteckning
1. Inledning .........................................................................................................................................1
1.1 Bakgrund...................................................................................................................................1
1.2 Syfte..........................................................................................................................................1
1.3 Avgränsningar ...........................................................................................................................1
2. Metod och Material ........................................................................................................................2
3. Resultat och Diskussion ...................................................................................................................3
3.1 Detaljkonstruktion ....................................................................................................................3
3.1.1 Rullarna ..............................................................................................................................3
3.1.2 Drivsystem .........................................................................................................................4
3.1.3 Luddavskrapare ..................................................................................................................5
3.1.4 Uppsamlingsbehållare ........................................................................................................5
3.1.5 Nylonfilter ..........................................................................................................................5
3.2 Kostnadsuppskattning ...............................................................................................................5
3.3 Tillverkningsbarhet....................................................................................................................6
3.3.1 Anpassning av rullarna........................................................................................................6
3.3.2 Anpassning av drivsystem ...................................................................................................6
3.3.3 Anpassning av luddavskrapare ............................................................................................6
3.3.4 Anpassning av uppsamlingsbehållare ..................................................................................6
3.3.5 Anpassning av nylonduk .....................................................................................................6
4. Slutsatser och Rekommendationer ..................................................................................................7
Bilaga A
Bilaga B
1. Inledning
1.1 Bakgrund
Dagens luddfilter i torktumlare fungerar utmärkt så länge det töms efter användning. Ett stort
problem är dock att detta inte görs, vilket försämrar både prestanda och livslängd på maskinen.
Problemet är som störst i gemensamma tvättstugor i hyreshus då folk antingen inte ser det som
deras problem eftersom de inte äger torktumlaren, eller helt enkelt glömmer att göra det.
1.2 Syfte
Vi fick i uppdrag av Asko-Cylinda att utveckla en automatisk lösning för luddborttagning i torktumlare
och därmed ta bort behovet av tömning, och därmed stärka Asko-Cylindas position på marknaden
och även ge dem ett bredare sortiment.
1.3 Avgränsningar
Projektet omfattade endast luddborttagningen och inte torktumlarens övriga funktioner. Det var
viktigt att torktumlarens yttre dimensioner förblev de samma. Det är även så att projektet endast är
en kurs på Chalmers och inte ett projekt i det verkliga arbetslivet. I och med detta har vi varken de
ekonomiska eller tidsmässiga resurser som krävs för att utveckla en konkurrenskraftig produkt färdig
för marknaden. Chalmers bidrar dock med lokaler, mjukvara, prototypverkstad med maskiner och
verktyg samt specialister inom relevanta ämnen.
1
2. Metod och Material
Som hjälpmedel har boken Value Model av Per Lindstedt och Ulf Bengtzelius använts. Den beskriver
en metod för produktutveckling med syfte att maximera produktens kundvärde.
I början lades mycket tid på att analysera kundens önskemål, för att se till så att produkten uppfyller,
och helst överträffar, kundens behov. Genom en bra kundundersökning kunde rätt produkt utvecklas
redan från början och därmed undveks sena kostsamma förändringar. Även konkurrenternas
lösningar analyserades för att hitta såväl smarta lösningar att vidareutveckla som brister att undvika.
Alternativa lösningar för luddborttagning, från angränsande branscher, undersöktes för att få
inspiration till nyskapande koncept. Som referenslösning valdes dagens nylonfilter och en
funktionsanalys gjordes på detta för att hitta de delfunktioner som var viktigast och som behövde
uppfyllas även i vårt koncept. Det gav oss även något att jämföra mätvärden med.
En idégenerering resulterade i ett flertal nya koncept. De som verkade mest lovande utvecklades
ytterligare och de bästa lösningarna på delfunktionerna kombinerades för att optimera koncepten.
Koncepten jämfördes och det som ansågs ha högst potential valdes som slutgiltigt koncept. En
kravspecifikation upprättades sedan för att kunna kontrollera att produkten uppfyller de fastställda
kraven. Detta förhindrade att en produkt som var sämre än den befintliga produkten utvecklades.
Konceptet konstruerades sedan i detalj. Viktiga faktorer som påverkade utformningen av systemet
var vilka delar som hängde ihop med varandra, vad som kunde sättas ihop och vilka delar som kunde
tas bort helt från konceptet. Det var viktigt att reducera antalet olika komponenter för att minimera
tillverkningskostnaderna.
Hållfasthetsmässiga beräkningar utfördes för att inte över- eller underdimensionera komponenterna
och för att göra dem tillräckligt starka samtidigt som man inte använder onödigt mycket material.
Ekonomiska beräkningar gjordes för att jämföra kostnaden för de olika tillverkningsmetoderna och
därmed kunna välja den mest ekonomiska.
2
3. Resultat och Diskussion
Projektet resulterade i följande lösning. Ett nylonfilter
som spänns upp runt två cylindrar som kan driva runt
filtret med hjälp av en elmotor. Mot filtret ligger två
skrapor som skrapar av luddet när filtret passerar mellan
dem. Luddet trillar då ner i en uppsamlingsbehållare
som enkelt kan tömmas då den blir full.
3.1 Detaljkonstruktion
Detaljkonstruktion av de olika komponenterna
resulterade i en modell av vår luddborttagare
(se Figur 1). De olika komponenterna kommer här
presenteras i detalj.
3.1.1 Rullarna
Rullarnas uppgift är att spänna upp nylonfiltret samt att
driva detta med hjälp av en remväxel och en elmotor.
Figur 1. Luddborttagare
Rullarna bör tillverkas i ett material som är så billigt och lätt som möjligt och som samtidigt är
tillräckligt starkt och temperaturtåligt. Plast ansågs därmed som ett lämpigt alternativ. Vid
konsultationen av Antal Boldizar, lärare i Polymera material och kompositer på Chalmers,
rekommenderades akrylplast.
Akrylplast (Polymetylmetakrylat - PMMA) är en amorf termoplast med glasomvandlingstemperatur
Tg vid 105°C. Akrylplastens fördelar i detta sammanhang är att den är hård och styv, ganska billig, låg
krypmodul, vilket ger bra toleranser, samt att den tål värmen från torktumlaren. Den klarar dessutom
de flesta olika tillverkningsmetoder och kan färgas obegränsat. Det finns inga uppenbara nackdelar
med akrylplast i vår konstruktion. Rullarna
tillverkas i en enda del (se Figur 2).
Vid konstruktion av rullen kommer utböjningen
till följd av filtrets belastning att bli försumbar.
För att se hur rullen belastas av dem pålagda
lasten har en FEM-analys gjorts (se Figur 3).
Detta gör att man tydligt ser vart komponenten
kommer att belastas mest, och därmed kan
vidta åtgärder för att stärka de svaga områdena.
Figur 2. Variant ett – Solid rulle
Figur 3. FEM-analys av rulle
3
FEM-analysen visar att de största spänningarna kommer uppstå vid rullens ändar, där den ska sättas
fast i torktumlarens ram. Detta beror på spänningskoncentrationer som bildas vid skarpa anvisningar.
Dessa kan ofta leda till utmattningsbrott, speciellt i fall med varierande last (som en roterande rulle).
För att reducera spänningarna i detaljen bör de
vassa anvisningarna rundas av. En FEM-analys av
en rulle med avrundade anvisningar har gjorts
(se Figur 4). Krafterna sprids här över ett större
område, vilket leder till att spänningarna minskar.
Sammanfattningsvis kan man dra slutsatsen att
den solida varianten överstiger de hållfastighetsmässiga behoven med god marginal och att
anvisningarna eventuell kan rundas av.
Figur 4. Avrundade anvisningar
3.1.2 Drivsystem
Rullarna drivs av en rem som förbinds med
motorn med hjälp av en remväxel (se Figur 5).
Remväxeln är ett enkelt och beprövat sätt att
sammanbinda roterande komponenter. De största
fördelarna är att den är flexibel, tillåter stor
utväxling och är förhållandevis billig. Remväxlar
behöver ingen smörjning och med
luddavlägsnarens korta arbetsintervall är
värmebildning och slitage minimalt.
Remmen drivs av en liten remskiva som sitter på
motorns axel. Remmen driver sedan på en av
rullarnas remskivor. Utväxlingen beräknas till 5,14
(se Bilaga A).
Beräkningar visar att förspänningskraften för att
remmen inte ska slira blir ca 50 N (se Bilaga A).
Figur 5. Remväxel och drivsystem
Den lilla remskivan (se Figur 6) som ska sitta på elmotorns
axel tillverkas lämpligen i akrylplast precis som de större
rullarna. Detta för tillverkningen då kan kombineras med
tillverkningen av rullarna som kommer att beskrivas senare.
Med tillräckligt noggranna toleranser på hålet genom skivan
kan remskivan enkelt sammanfogas med elmotorns axel
genom att trycka fast den.
Figur 6. Remskiva
Användandet av en flatrem gör att remskivan kan göras liten
eftersom remmen är lätt att böja. Detta ger en högre
utväxling, vilket är till fördel i vår konstruktion.
4
Elmotorn är en DC-motor som kan drivas kontinuerligt från 0-3600 rpm, med ett maximalt moment
på 0,07 Nm och köps lämpligen in från en underleverantör.
3.1.3 Luddavskrapare
För att få bort luddet leds filtret mellan två skrapor, en på varje sida
av filtret (se Figur 7). Luddet avlägsnas här från nylonfiltret och trillar
ner i en uppsamlingsbehållare.
Skraporna tillverkas i polypropen (PP) som är en glatt och billig plast.
Detta gör att luddet inte fastnar på skraporna utan istället faller ner i
uppsamlingsbehållaren.
Skraporna utformas så att de enkelt kan snäppas fast i torktumlarens
ram med snäppfästen. Denna metod kräver inga ytterliggare delar
såsom skruvar etc.
Figur 7. Luddavskrapning
3.1.4 Uppsamlingsbehållare
Som uppsamlingsbehållare används en lätt modifierad
variant av torktumlarens befintliga kondensvattentank
(se Figur 8).
Luddet trillar ner från skraporna och ner i behållaren och
fördelas jämnt då torktumlaren vibrerar. För att tömma
behållaren dras den rakt ut ur torktumlaren på samma
sätt som dagens kondensvattentank. Tanken har ett
integrerat handtag som underlättar detta.
Dagens torktumlare kan med hjälp av en sensor känna
av när kondensvattentanken är full och meddela detta
till användaren. Samma avkänningssystem kan
eventuellt användas på luddbehållaren och användaren
kan då enkelt få reda på när behållaren behöver
tömmas.
Figur 8. Luddborttagare med uppsamlingsbehållare
3.1.5 Nylonfilter
Nylonfiltret är i grund och botten samma sorts filter som på dagens luddfilter. Skillnaden är att
istället för att sitta fast i en ram är det uppspänt runt de två rullarna i konstruktionen. För att detta
ska vara möjligt krävs det att filtret skarvas ihop med sig självt, detta görs lämpligen genom
plastsvetsning som fungerar utmärkt då nylon (polyamid) är en termoplast som smälter runt 215°C.
3.2 Kostnadsuppskattning
Beräkningar av tillverkningskostnaden för de olika varianterna av rullar har gjorts (se Bilaga B).
Resultaten visar enligt Swifts beräkningsmetoder att en extruderad ihålig rulle med svarvade
ändbitar blir billigast (2,34 kr/st). I verkligheten är det dock tveksamt om det är den billigaste
metoden då det troligtvis inte har tagits hänsyn till extruderingsverktygets kostnad som enligt Antal
Boldizar kan kosta mellan 200000 kronor till 500000 kronor.
5
Tillverkning av en solid rulle genom svarvning blir troligtvis billigare i praktiken, speciellt då flera av
komponenterna kan tillverkas i ett enda steg. Kostnaden för detta beräknades enligt Swifts metoder
till 4,50 kr (se Bilaga B). Beräkningarna är inte absoluta, men resultatet är rimligt.
Kostnader för rem, elmotor och nylonfilter är svåra att räkna på och resultaten skulle troligtvis bli fel.
Därför har inga kostnadsberäkningar för dessa komponenter genomförts. Totalkostnaden för
produkten beräknas dock understiga 100 kr, vilket har satts som kostnadskrav.
3.3 Tillverkningsbarhet
Produktionsanpassning av komponenterna i luddborttagaren har gjorts och beskrivs här i detalj.
3.3.1 Anpassning av rullarna
Två olika utföranden och tillhörande tillverkningsmetoder har utvärderats. De båda rullarna är
identiska för att reducera antalet olika komponenter. Remskivor har integrerats i rullarna och
rullarna har gjorts symmetriska i en av varianterna för att reducera antalet olika komponenter och
samtidigt reducera monteringskostnaderna (se Figur 7). Materialet har anpassats så att
avverkningsmöjligheterna vid svarvning är optimala, materialet bildar en fin spåna som inte ställer till
med några problem, vilket reducerar behovet av kontroll och justering och motverkar onödiga
produktionsstopp. Vid en av varianterna tillverkas båda rullarna och även remskivan ur ett enda
stycke material, i praktiskt taget i ett steg (bortsett från håltagning i remskivan). Remskivan är
dessutom symmetrisk (se Figur 6).
3.3.2 Anpassning av drivsystem
En remväxel används istället för ett drivsystem med kugghjul som skulle kräva högre toleranser och
mer komplicerade komponenter som skulle ge högre tillverkningskostnader. Rem och elmotor köps
in från underleverantör då det blir billigare än att tillverka dem inom företaget. Remmen driver bara
på en av rullarna för att minska komplexiteten.
3.3.3 Anpassning av luddavskrapare
De båda skraporna är identiska för att reducera antalet unika komponenter och fästs med
snäppfästen för att underlätta monteringen. Skraporna tillverkas genom extrudering.
3.3.4 Anpassning av uppsamlingsbehållare
Som uppsamlingsbehållare används en likadan tank som används för att samla upp kondensvattnet
(om torktumlaren inte är kopplad till ett avlopp). Enda skillnaden är att ett hål görs där luddet ska
falla in i behållaren. Ett extra processteg är därför nödvändigt, men komponenterna tillverkas i
grunden likadant och kostnaderna kan därför reduceras jämfört med att tillverka en behållare med
annan utformning.
3.3.5 Anpassning av nylonduk
Den befintliga nylonduken är väl beprövad, därför används samma teknologi även i det nya
utförandet. Antagligen finns duken redan som metervara på rulle i Asko-Cylindas lager annars köps
den in från samma underleverantör som tidigare.
6
4. Slutsatser och Rekommendationer
En alfa-prototyp av konceptlösningen har tillverkats. Filterhållaren i dörren måste justeras för att
matcha den nya konstruktionen. Infästningar för rullar, elmotor och uppsamlingsbehållare måste
konstrueras och integreras i filterhållaren. Filterhållaren måste också utformas så att inget ludd kan
passera förbi filtret samtidigt som det måste kunna ledas ner i uppsamlingsbehållaren. Sladdar och
reglersystem måste anslutas till produkten och vi föreslår att uppsamlingsbehållaren kompletteras
med en sensor så att torktumlaren kan känna av och meddela användaren när behållaren börjar bli
full.
Produkten måste sen testas och eventuellt justeras för att säkerställa att kraven uppfylls innan den
kan börja massproduceras. Den totala kostnaden för produkten måste jämföras med den nuvarande
lösningen och man får sen ta hänsyn till om den ska ersätta denna och bli standardval eller tillval.
Produkten gör att användaren slipper att ta bort luddet från luddfiltret efter att ha använt
torktumlaren. Behållaren måste fortfarande tömmas men inte alls lika ofta. Produkten kommer
förhoppningsvis leda till ett mer bekvämt användande och ökat kundvärde på Asko-Cylindas
maskiner.
7
Bilaga A
Beräkning på remväxel
Data:
M1=0.07 Nm (Motorns toppmoment)
M2=0.01 moment)
Nm
R=0.018 m
r=0.0035
a=0.08 m
µ=0.3
(Bromsande
R−r
= 2 ∙ cos−1 0,18125 = 159,1° = 0,88𝜋
a
𝛼2 = 2𝜋 − α1 = 200.9° = 1,12π
α1 = 2 ∙ cos−1
𝐹𝑒 = 𝐹 − 𝐹𝑐 = 𝐹
(𝑅𝑒𝑚𝑚𝑒𝑛𝑠 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑓ö𝑟𝑠𝑢𝑚𝑚𝑎𝑠)
𝑀1 = 𝐹2 − 𝐹1 ∙ 𝑅
→
𝐹𝑒2 =
𝑀1
+ 𝐹𝑒1 = 𝐹𝑒2
𝑟
𝑒 µα 1 = 2,3
𝑒
µα 1
𝑀1
+ 𝐹𝑒1
𝐹𝑒2
=
= 𝑟
𝐹𝑒1
𝐹𝑒1
→
𝐹𝑒1 = 15,38 𝑁
𝐹𝑒2 = 35,38 𝑁
𝛥𝛼 = 𝑠𝑖𝑛−1
𝑅−𝑟
= 10,44°
𝑎
𝐹 = cos 10,44° ∙ 𝐹𝑒1 + cos 10,44° ∙ 𝐹𝑒2 = 15,125 𝑁 + 34,79 𝑁 ≈ 50 𝑁
Erfordlig förspänningskraft är 50 N.
Utväxlingen blir:
𝑅
𝑟
0,018
= 0,0035 = 5,14
Bilaga B
Kostnadsberäkningar
Rullar
Solid svarvad rulle:
Förklaring och data:
Totalkostnad för en komponent:
Upplaga:
10000 st.
Volymen för en komponent:
Materialkostnaden för en komponent:
Basic Processing Cost:
Relative Processing Cost:
𝑉
𝐶𝑚𝑡
𝑃𝑐
𝑅𝑐
168116 mm3
0.0018 𝑝𝑒𝑛𝑐𝑒/𝑚𝑚3
6 enl. Swift s.252
1,21 enl. nedanstående beräkningar
Materiallämplighet i process:
𝐶𝑚𝑝
1,1 enl. Swift s.258
Komponentens komplexitet:
Väggtjocklekskonstant:
Toleranskonstant:
Ytkonstant:
𝐶𝑐
𝐶𝑠
𝐶𝑡
𝐶𝑓
1 enl. Swift s.261
1 enl. Swift s.265
1,1 enl. Swift s.268
1 enl. Swift s.271
𝑀𝑖
𝑅𝑐 = 𝐶𝑚𝑝 ∙ 𝐶𝑐 ∙ 𝐶𝑠 ∙ max 𝐶𝑡 , 𝐶𝑓 = 1,1 ∙ 1 ∙ 1,1 ∙ 1 = 1,21
𝑀𝑖 = 𝑉 ∙ 𝐶𝑚𝑡 + 𝑃𝑐 ∙ 𝑅𝑐 = 168116 ∙ 0,0018 + 6 ∙ 1,21 = 37,5 𝑝𝑒𝑛𝑐𝑒 → 4,50 𝑘𝑟
Totalkostnad för solid svarvad rulle blir:
4,50 kr