IKOT 2010
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
© Copyright 2024