Produktutveckling av flytbarhetsutrustning
Examensarbete Produktutveckling av flytbarhetsutrustning Product Development of Fluidity Test Equipment Författare: Nils Gustafsson & Markus Olsson Handledare: Bo Jonson Examinator: Izudin Dugic Handledare, företag: Tomas Liljenfors, Bryne AB Datum: 2015-06-02 Kurskod: 2MT10E, 22,5 hp Ämne: Maskinteknik | Produktutveckling Nivå: Kandidatexamen Institutionen för maskinteknik Sammanfattning Det finns i dagsläget ingen mätutrustning på den kommersiella marknaden som på ett enkelt och kostnadseffektivt sätt kan ge exakta mätresultat om flytbarheten hos smält metall. Genom att kontinuerligt mäta skillnader i flytbarhet och vid behov genomföra åtgärder för att optimera metallens flytbarhet kan en jämnare processkvalitet uppnås på den efterföljande gjut-processen och därmed minska antalet kassationer, omsmältningar samt de omkostnader som det medför. Detta examensarbete har syftat till att hjälpa uppdragsgivaren, Bryne AB, i utvecklingen av en mätutrustning som mäter flytbarheten hos smält metall. Arbetet beskriver inledningsvis den bakgrund och problemformulering som examensarbetet grundats på. Detta följs upp av en nulägesbeskrivning där uppdraget som är att utveckla påfyllardelen till mätutrustningen beskrivs mer i sin helhet. Det ges även en redogörelse av uppdragsgivaren, hur långt de har kommit i sin egen utveckling och var det här arbetet tar vid. Vidare presenteras metodologin och den litterära grund som arbetet stödjer sig på. Litteraturstudien beskriver processerna för arbetets tre huvudområden (produktutveckling, materialval och val av tillverkningsmetod) samt övrig teori som varit betydande för arbetet. Detta följs upp av rapportens huvuddel som är genomförandet. Arbetets genomförande beskrivs inledningsvis i stort hur hela examensarbetet har strukturerats. Vidare beskrivs genomförandet av de olika processtegen i produktutvecklingsprocessen samt hur valet av material och tillverkningsmetod har genomförts. En stor del av arbetet vilar på resultaten från de experimentella tester som genomförts på plats hos uppdragsgivaren. Bland annat har det experimenterats med ett för gjuteribranschen nytt formmaterial då det testats om återvunnet (material x) går att använda som formmaterial till högtemperaturapplikationer. Vidare har tester av olika koncept genomförts för att ge mer kunskap till produktutvecklingsprocessen. Dessa olika tester presenteras i bilagor. Från resultaten av experimenten och de teoretiska processerna presenteras sedan förslag till utvecklad komponent, valt material och tillverkningsmetod. Slutligen diskuteras arbetets olika faser övergripande vilket följs upp av de slutsatserna som kunnat dras ifrån arbetets resultat och rekommendationer ges till fortsatt arbete. III Summary There is currently no measurement equipment available on the commercial market that in a simple and cost effective way can deliver precise measurements of the fluidity of molten metal. By continuously measuring the differences in fluidity and if necessary take actions to optimize the metal quality the casting process will result in a more uniform casting process quality. This will reduce the number of rejects, the need of remelts and the costs they entails. This thesis has aimed to assist the outsourcer, Bryne AB, in the development of a measuring device that measures the fluidity of molten metal. The report initially describes the background and problem underlying the thesis. The subsequent part of the report describes the mission which is to develop the crucible part of the measuring equipment. It is also describes Bryne AB, how far they have come in their own development and where this work takes place. Furthermore the methodology and the literary foundation which the report relies on is presented. The literature describes the processes of the three main areas (product development, material selection and choice of manufacturing method) as well as other theoretical material that has been significant for the work. This is followed up by the main part of the report which is the implementation. Initially it is describes largely how the project has been structured. Furthermore it also describes the implementation of the various process steps in the product development process and how the choice of materials and manufacturing methods have been implemented. A large part of the results of the work relies on the experimental tests that was carried out. It has been experimented with for the foundry industry new mold material when tested if recycled (material x) can be used as mold material for high temperature applications. Furthermore, tests of various concepts have been implemented to provide more knowledge to the development process. These various tests are presented in appendices. From the results of the experiments and theoretical processes proposals for developed component, selection of material and manufacturing method is presented. Last of all the work phases are discussed and followed up by the conclusions that could be drawn from the results of the work and recommendations are given for further work. IV Abstract Detta examensarbete omfattar produktutvecklingen av en komponent till en mätutrustning som ska mäta flytbarheten hos smält metall. Arbetet har utförts hos Bryne AB och har lett fram till koncept-, material- och tillverkningsförslag för komponenten. Arbetet har även utvärderat ett för gjuteribranschen nytt formmaterial som alternativ till dagens gjutsand. Tester har gjorts för att se om återvunnet (material x) går att använda som formmaterial till högtemperaturapplikationer. Nyckelord: Flytbarhet, Återvunnet material, Gjutning, Produktutveckling, Materialval, Tillverkning, Pressgjutning, Formmaterial, Skalformning This thesis covers the product development of a component for a measuring device that measures the fluidity of molted metal. The work has been performed at Bryne AB and has led to concept, material and manufacturing proposal for the component. This work has also evaluated new molding material to be used in foundries that can be an alternative to today's molding sand. Tests have been made to see if recycled (material x) can be used as mold material for high temperature applications. Keywords: Fluidity, Recycled material, Casting, Product Development, Selecting materials, Manufacturing, Die casting, Mold material, Shell molding V Förord Hösten 2014 kontaktades Tomas Liljenfors om eventuella uppslag till examensarbete. Tomas berättade om sitt nystartade utvecklingsföretag Bryne AB och vilka utvecklingsprojekt de arbetade med för tillfället. Ett av projekten Bryne arbetade med var utvecklingen av en mätutrustning som ska mäta flytbarheten för smält metall hos gjuterierna. Detta examensarbete omfattar utvecklingen för en av komponenterna till utrustningen och är också den avslutande kursen för högskoleingenjörsutbildningen i Maskinteknik på Linnéuniversitetet i Växjö. Arbetet har lett till en djupare förståelse över de processteg som krävs för att utveckla en idé till prototyp. Detta då arbetets mål har varit att genom en produktutveckling leverera koncept-, material- och tillverkningsförslag som Bryne senare kan vidareutveckla till färdig produkt. Vi vill ta tillfället att tacka de personer som har bidragit med tid och resurser till examensarbetet. Tack Kajsa Lundberg på Lundbergs Pressgjuteri för ett givande och intressant studiebesök. Vi vill även tacka Magnus Holmgren som arbetar på Bryne för den hjälp och handledning som han har bidragit med i samband med de experiment och tester som genomförts. Vidare tackar vi vår handledare från universitetet Bo Jonson för de givande diskussionerna och handledningen som har lett till riktigt spännande resultat. Sist vill vi rikta ett stort tack till Tomas Liljenfors! Du har ställt upp för oss och lagt mycket av din tid för vår skull. Du har varit en stor inspirationskälla och gett oss många lärdomar som vi tar med oss i resten av livet. Vi vill också passa på att ta chansen att önska dig och Bryne stort lycka till med vidareutvecklingen av flytbarhetsutrustningen. Tack Tomas! Växjö, den 2:a juni 2015 Markus Olsson Nils Gustafsson VI Innehållsförteckning Sammanfattning ______________________________________________ III Summary ___________________________________________________ IV Abstract _____________________________________________________ V Förord ______________________________________________________ VI Innehållsförteckning __________________________________________VII 1 2 3 Introduktion ______________________________________________ 1 1.1 Bakgrund _______________________________________________________ 1.2 Problemformulering ______________________________________________ 1.3 Mål ___________________________________________________________ 1.3.1 Delmål _____________________________________________________ 1.4 Avgränsningar ___________________________________________________ 1 3 4 4 4 Nulägesbeskrivning ________________________________________ 5 2.1 Uppdraget ______________________________________________________ 2.2 Bryne AB_______________________________________________________ 2.3 Hur långt har Bryne kommit i utvecklingen? ___________________________ 2.4 Marknadsbeskrivning _____________________________________________ 5 6 6 7 Metodologi _______________________________________________ 8 3.1 Vetenskapligt synsätt______________________________________________ 8 3.1.1 Positivism___________________________________________________ 8 3.1.2 Hermeneutik _________________________________________________ 8 3.1.3 Arbetets vetenskapliga synsätt ___________________________________ 8 3.2 Vetenskapligt angreppssätt _________________________________________ 9 3.2.1 Induktion ___________________________________________________ 9 3.2.2 Deduktion ___________________________________________________ 9 3.2.3 Abduktion __________________________________________________ 9 3.2.4 Arbetets vetenskapliga angreppssätt ______________________________ 9 3.3 Forskningsmetod ________________________________________________ 10 3.3.1 Kvalitativ metod_____________________________________________ 10 3.3.2 Kvantitativ metod____________________________________________ 10 3.3.3 Arbetets forskningsmetod _____________________________________ 10 3.4 Sanningskriterier ________________________________________________ 11 VII 3.4.1 3.4.2 3.4.3 Validitet ___________________________________________________ 11 Reliabilitet _________________________________________________ 11 Arbetets sanningskriterier _____________________________________ 11 4 Litteraturstudie ___________________________________________ 12 4.1 Produktutveckling _______________________________________________ 12 4.1.1 Identifiera kundbehov ________________________________________ 12 4.1.2 Upprätta målspecifikationer ____________________________________ 12 4.1.3 Generera koncept ____________________________________________ 13 4.1.4 Välja koncept _______________________________________________ 13 4.1.5 Testa koncept _______________________________________________ 13 4.1.6 Upprätta slutgiltiga specifikationer ______________________________ 13 4.2 Materialvalsprocess ______________________________________________ 14 4.2.1 Översätt designkrav __________________________________________ 14 4.2.2 Överblicka med begränsningar _________________________________ 15 4.2.3 Rangordna bäst lämpade ______________________________________ 15 4.2.4 Sök bekräftelse ______________________________________________ 15 4.3 Val av tillverkningsmetod _________________________________________ 16 4.4 Patent _________________________________________________________ 17 4.5 Materialegenskaper ______________________________________________ 18 4.5.1 Värmeöverföring ____________________________________________ 18 4.5.2 Temperaturspänning _________________________________________ 20 4.5.3 Hydrostatiskt tryck ___________________________________________ 20 4.6 Formmaterial ___________________________________________________ 21 4.6.1 Sand för engångsformar _______________________________________ 21 4.6.2 Material x __________________________________________________ 23 4.6.3 Gips ______________________________________________________ 24 4.6.4 Bindemedel ________________________________________________ 24 4.7 Tillverkningsmetoder ____________________________________________ 26 4.7.1 Pressgjutning _______________________________________________ 26 4.7.2 Sandgjutning _______________________________________________ 26 4.7.3 Sandformning med självstelnande massor _________________________ 27 4.7.4 Skalformning med sand _______________________________________ 27 4.7.5 Råsandsformning ____________________________________________ 28 4.7.6 Gjutning i gipsform __________________________________________ 28 5 Genomförande ___________________________________________ 29 5.1 Produktutveckling _______________________________________________ 30 VIII 5.1.1 Identifiering av kundbehov ____________________________________ 30 5.1.2 Upprätta målspecifikationer ____________________________________ 33 5.1.3 Generera koncept ____________________________________________ 35 5.1.4 Konceptsållning _____________________________________________ 39 5.1.5 Testning av koncept __________________________________________ 40 5.2 Materialvalsprocess ______________________________________________ 42 5.2.1 Översätta designkrav _________________________________________ 44 5.2.2 Överblicka med begränsningar _________________________________ 45 5.2.3 Rangordna bäst lämpade ______________________________________ 47 5.2.4 Sök bekräftelse ______________________________________________ 48 5.3 Tillverkningsmetod ______________________________________________ 49 6 Resultat och analys _______________________________________ 50 6.1 Produktutveckling _______________________________________________ 50 6.1.1 Slutgiltiga specifikationer _____________________________________ 50 6.1.2 Slutgiltigt konceptförslag ______________________________________ 53 6.2 Materialval ____________________________________________________ 55 6.2.1 Experimentella resultat för (material x) ___________________________ 55 6.2.2 Slutgiltigt materialvalsförslag __________________________________ 56 6.3 Val av tillverkningsmetod _________________________________________ 57 6.3.1 Råmaterial _________________________________________________ 57 6.3.2 Primärformning _____________________________________________ 57 6.3.3 Sekundära processer__________________________________________ 58 7 Diskussion och slutsatser ___________________________________ 60 7.1 Diskussion _____________________________________________________ 7.1.1 Produktutveckling ___________________________________________ 7.1.2 Materialval _________________________________________________ 7.1.3 Tillverkning ________________________________________________ 7.1.4 Patent _____________________________________________________ 7.2 Slutsatser ______________________________________________________ 7.2.1 Arbetet ____________________________________________________ 7.2.2 Fortsatt arbete_______________________________________________ 8 Referenser ______________________________________________ 65 9 Bilagor _________________________________________________ 68 IX 60 61 62 63 63 64 64 64 1 Introduktion Följande kapitel ger en beskrivning av den bakgrund och problemformulering som ligger till grund för examensarbetet. Kapitlet behandlar även vad arbetet syftar att leda fram till samt de uppsatta mål och avgränsningar som tagits fram för arbetet. 1.1 Bakgrund En av de största utmaningarna mänskligheten står inför kommande år är att få bukt på de allt mer påtagliga klimatförändringarna. Klimatförändringarna beror till stor del på utsläpp av växthusgaser där en tredjedel av utsläppen kan härledas direkt till transportsektorn. Under perioden 1990-2012 ökade utsläppen från tunga fordon med 44 procent [1]. För att vända denna negativa trend ställs det allt högre krav på dagens industri att konstruktioner blir smartare och lättare. Det drivs idag omfattande svensk forskning inom området lätta konstruktioner [2]. Några av argumenten till att utveckla lättare konstruktioner påpekas på Swereas hemsida: Lätta konstruktioner är ett område som är identifierat av industrin som ett sätt att stärka konkurrenskraft och hållbar tillväxt [2] Genom smartare design med mindre materialåtgång kan således både Sveriges utveckling och miljön gynnas. Lätta konstruktioner är ett hett forskningsämne inom gjuteribranschen. Ett just nu pågående forskningsprojekt heter; Utveckling av lätta tunnväggiga gjutna högpresterande komponenter [3], där ett av forskningsområdena som benämns i projektet är hur formfyllnad kan ökas i tunna sektioner av gjutgodset, där en viktig parameter är den smälta metallens flytbarhet. Flytbarhet är en komplex teknisk egenskap hos smält metall. Den är beroende av en mängd olika faktorer och definieras olika inom fysiken och gjuteritekniken. Inom gjuteritekniken är flytbarheten definierad så som den längd som den smälta metallen kan flyta genom en form med konstant tvärsnittsarea innan den stelnar [4] [5]. Ju mer flytbar den smälta metallen är desto lättare kommer den kunna flyta ut och fylla gjutformen [5]. 1 Nils Gustafsson & Markus Olsson De två mest bidragande faktorerna till en varierande flytbarhet är gjuttemperatur och materialsammansättning hos den smälta metallen [6]. Gjuttemperaturen kan relativt enkelt styras genom att tillföra mer eller mindre energi till gjutprocessen. Vad det gäller styrning av materialsammansättningen på den smälta metallen är det mer komplext. Eftersom att det i processen på gjuterier regelbundet sker förändringar i materialsammansättningen hos den smälta metallen. Till exempel när råvara blandas med internt återgångsmaterial i olika proportioner. Den förändringen av materialsammansättning kommer då leda till att flytbarheten ändras som i förlängningen kan innebära att metallen inte fyller gjutformen tillräckligt. Detta leder till ökade omkostnader för gjuteriet för de kassationer och omsmältningar som uppstår till följd av den försämrade flytbarheten. Genom att kontinuerligt mäta skillnader i flytbarhet och vid behov genomföra åtgärder för att optimera metallens flytbarhet kan en jämnare processkvalitet uppnås på den efterföljande gjut-processen och därmed även minska antalet kassationer, omsmältningar samt de omkostnader som det medför. Samtidigt skulle möjligheten att gjuta lätta gjutgods med tunna sektioner öka [7]. Ett citat hämtat ur en doktorsavhandling inom forskningsområdet flytbarhet visar på att det finns stöd för produktutvecklingen av en flytbarhetsutrustning för både laboratorier och gjuterier. The development of a standard fluidity test method which can be used both in research laboratory and foundry is highly recommended in order to directly compare fluidity measurements from different sources [4] 2 Nils Gustafsson & Markus Olsson 1.2 Problemformulering Det finns i dagsläget ingen mätutrustning på den kommersiella marknaden som på ett enkelt och kostnadseffektivt sätt kan ge exakta mätresultat om flytbarheten hos smält metall. Den mätutrustning som finns till detta syfte har i huvudsak bara använts till experimentell forskning i laboratorier och inte varit anpassad för att användas ute i industrin [8]. Bland de mätutrustningar som finns idag ses både mer avancerade och dyrare metoder samtidigt som det finns mindre kostsamma alternativ. I den lägre klassen är de två mest förekommande metoderna för mätning av flytbarheten vakuum- och spiraltestning (se Figur 1). Vakuumtestningen utförs genom att smält metall sugs upp i ett glasrör under ett känt tryck med hjälp av en vakuumpump där avståndet mäts som metallen har sugits in innan den stelnar för att avgöra flytbarheten. Mätning genom spiraltestning sker genom att smält metall hälls i en spiralformad kanal där även här avståndet, som metallen har hunnit fylla kanalen innan den stelnar, mäts [4]. Spiralutrustningen är den testmetod som till större del används då den är portabel och har en kompakt design [9]. Bristande egenskaper med dagens spiraltestning är att de ger en varierande noggrannhet och resultat. Detta beror på de svårigheter som finns i att utföra mätningar med en konstant temperatur på smältan och att höjden smältan hälls ifrån varierar vilket skapar ett föränderligt tryck som påverkar mätresultatet [4]. Genom att utveckla flytbarhetsutrustningen till en kommersiell produkt kommer dagens gjuterier kunna sänka sina produktionskostnader. Detta bidrar till en förstärkt konkurrenskraft och i förlängningen att tillverkningen av gjutgods kan fortsätta i Sverige. Figur 1 - Schematisk bild av de två vanligaste testmetoderna: a) Spiral, b) Vakuum [4] 3 Nils Gustafsson & Markus Olsson Utifrån bakgrundsinformationen samt problemformuleringen har följande forskningsfråga framställts: Hur kan spiralutrustningen som används för experimentell forskning vid mätning av flytbarhet vidareutvecklas till en kommersiell produkt för användning ute i produktion på gjuterier? 1.3 Mål Målet med examensarbetet är att leverera ett slutgiltigt designkoncept för påfyllardelen av den spiralutrustning som kan ge uppgift om flytbarheten hos smält metall. Det slutgiltiga konceptet ska innehålla material- och tillverkningsförslag med avseende på användning mot lättmetaller och ska vara anpassad för användning i den vardagliga produktionen på gjuterier. 1.3.1 Delmål Huvudmålet har delats in i följande delmål. Att generera minst tre stycken designkoncept för påfyllaren. Att funktionstesta och utvärdera minst två av de framtagna koncepten. Att leverera ett slutgiltigt koncept-, material- och tillverkningsförslag. 1.4 Avgränsningar Att en varierande flytbarhet leder till ökade omkostnader för gjuterierna är redan känt. Fokus för det här arbetet är på utvecklingen av en kommersiell utrustning och inte metallurgiska eller gjuteritekniska undersökningar om flytbarheten. Hur de framtagna mätresultaten från flytbarhetsverktyget ska användas och eventuella åtgärdsförslag kommer inte att innefattas inom ramen av detta examensarbete. Vidare kommer fler avgränsningar förekomma under arbetets gång, dessa beskrivs i löpande i rapporten och tas upp i direkt anslutning till det som avgränsas. 4 Nils Gustafsson & Markus Olsson 2 Nulägesbeskrivning Följande kapitel beskriver uppdraget samt ger en redogörelse av vem uppdragsgivaren till arbetet är och hur långt de har kommit i sin egen utveckling. Slutligen förklaras var det här arbetet tar vid samt ges en kortare marknadsbeskrivning för flytbarhetsutrustningen. 2.1 Uppdraget Uppdraget är att vidareutveckla den spiralutrustningen som idag främst används inom experimentell forskning till en kommersiell produkt. Flytbarhetsutrustningen ska vara en engångsprodukt som på ett enkelt sätt ska säkra kundens tillverkningsprocess. Produkten är initialt tänkt att bestå av fyra delar; en underdel med spiralkanal, en överdel/lock, en påfyllare samt en stopper. Figur 2 visar en schematisk bild av utformningen på mätutrustningens ingående delar i dagsläget. Mätningen av flytbarhet sker genom att smält metall fylls på i påfyllaren (1) där en stopper (2) täcker ingångskanalen till överdel (3) och spiralkanal (4). När metallen uppnått önskad temperatur avlägsnas stoppern och metallen flyter ut i spiralkanalen. Beroende på metallens flytbarhet kommer längden som den smälta metallen hunnit fylla spiralkanalen innan den stelnat att variera. När metallen har stelnat avlägsnas formmaterialet och den stelnade spiralen analyseras för att kunna vidta eventuella åtgärder för att optimera flytbarheten på den smälta metallen. Figur 2 - Schematisk bild av mätutrustning 5 Nils Gustafsson & Markus Olsson Uppgiften är att utveckla påfyllardelen. För detta ändamål har uppdragsgivaren till arbetet Bryne AB ställt upp ett antal önskemål för produkten. Vad Bryne önskar är en produkt som: tillfredsställer kundens behov genom att vara säker, ge exakta mätningar, på ett snabbt och på ett enkelt sätt går att tillverka till ett konkurrenskraftigt sätt är en miljöriktig produkt 2.2 Bryne AB Bryne AB är ett utveckligföretag inom material- och tillverkningsteknik med säte i Älmhult. Bryne har ett utvecklingscenter beläget i Diö och är idag tre heltidsanställda och 3 visstidsanställda. I utvecklingscentret finns bland annat utrustning för att tillverka formar och experimentell utrustning för materialanalys och experiment med smält metall. Ett av de projekt som Bryne AB driver är att utveckla ett verktyg för att mäta flytbarheten på smält metall. Bryne driver vid sidan av detta även utveckling inom området additiv tillverkning i metall. 2.3 Hur långt har Bryne kommit i utvecklingen? Bryne har senaste året testat olika utföranden på mätutrustningen för flytbarhetsmätningar. Mest fokus har legat på att få till en bra del till spiralkanalen. Men på senare tid har även tester genomförts på alternativa utformningar av lock, påfyllare och stopper. Tester har genomförts med sandformar som är gjorda utav Baskarpsand som är bundet med vattenglas samt en flytande härdare. 6 Nils Gustafsson & Markus Olsson Hittills genomförda tester har visat på följande fel och konsekvenser: Att metallen svalnar allt för snabbt i påfyllaren o Varierande temperatur vid mätning, ger felaktiga mätvärden Att komponenterna håller ihop men det bildas sprickor i materialet o Osäker produkt som riskerar personsäkerheten Svårigheter att tillverka delarna med jämna ytor mellan varandra o Läckage mellan kanaler vilket i förlängningen ger felaktiga mätvärden När arbetet startar är ingen av delarna till mätutrustningen tillgängliga på marknaden. Fokus kommer ligga på att utveckla påfyllardelen medan Bryne parallellt fortsätter med slutverifieringen av spiralkanalen. Denna arbetsfördelning skapar en kreativ utvecklingsmiljö, men ställer samtidigt krav på samarbete och kontinuerligt idéutbyte för att säkerställa att utvecklingen går åt samma håll. 2.4 Marknadsbeskrivning Att kunna mäta och kontrollera flytbarheten på smält metall är användbart inom flera gjuteritekniker. Emellertid den gjutmetod som har mest att vinna på en kontrollerad flytbarhet är pressgjutning. Detta då denna gjutmetod ställer höga krav på flytbarhet vid gjutning av tunna sektioner. Produkten är i första hand tänkt att användas till mätning av flytbarheten hos lättmetaller så som aluminium och magnesium, men framöver också högtemperatursmältande metaller som järn. 7 Nils Gustafsson & Markus Olsson 3 Metodologi Följande kapitel presenterar de begrepp som innefattas inom metodologin och hur de har använts i detta arbete. 3.1 Vetenskapligt synsätt I sin helhet har all forskning ett specifikt vetenskapligt synsätt. Följande avsnitt kommer att introducera dessa synsätt samt från vilket vetenskapligt synsätt arbetet utgår ifrån. 3.1.1 Positivism Positivistiskt synsätt utgår ifrån att den information som samlats in endast är sann om det går att bekräfta det empiriskt i verkligheten [10]. För att uppnå en positivism ska kunskapen som införskaffas så väl vara nyttig som att den ska bidra till förbättring av samhället [11]. Positivismen omfattar verklig fakta som kan prövas empiriskt. Personliga åsikter som kan påverka resultatet, så som uppskattningar och bedömningar hör därmed inte till detta synsätt [10]. 3.1.2 Hermeneutik Hermeneutik kan ses som motsatsen eller ett komplement till det positivistiska synsättet. Till skillnad från positivismens verkliga fakta, så omfattar hermeneutik tolkningar, studerande och förståelse [10]. Detta synsätt är ofta använt i samhällsvetenskapen då forskningen studerar helheten och strävar efter att få en helhetsbild utifrån sin egen förståelse tillskillnad från positivismen som tar an problemet del för del [11]. 3.1.3 Arbetets vetenskapliga synsätt För att till en början skapa en förståelse över flytbarhetsutrustningen och omgivningen den skulle användas i, samt vilka problem som var kända genom uppdragsgivarens redan utförda experiment, hade arbetet ett hermeneutiskt synsätt för att få en bättre helhetsbild. Vidare har det positivistiska synsättet använts för att klargöra och dela upp helheten i mindre delproblem där studier genomfördes för varje del till dess en tillfredsställande förståelse var uppnådd. Detta gav i sin tur en bra grund för att gå vidare med arbetet. 8 Nils Gustafsson & Markus Olsson 3.2 Vetenskapligt angreppssätt Valet av angreppssätt berör hur relationen mellan teori och empiri fördelas i arbetet. I följande avsnitt presenteras de olika angreppssätten samt vilket av dem arbetet kommer att använda sig av. 3.2.1 Induktion Induktion är ett angreppssätt för forskning som innebär att studien genomförs från datainsamling. Istället för att bygga upp studien på redan kända teorier grundas studien på insamling av empirisk data som sedan formas till egna teoretiska slutsatser [10]. 3.2.2 Deduktion Angreppsättet deduktion innebär inom forskningsmetodik att studien utförs med hjälp av redan kända principer och teorier. Forskningen startar således med en undersökning av kända teorier inom området för att få en djupare förståelse. Utifrån det som framkommer i undersökningen av teorier samlas sedan relevant data in. Slutligen jämförs teorin med insamlad data för att kunna komma fram till en slutledning [11]. 3.2.3 Abduktion Det abduktiva angreppssättet kan ses som en kombination av induktion och deduktion. Forskning med ett abduktivt angreppssätt inleds ofta med induktiv forskning där insamling av empirisk data lägger grunden för en hypotes för forskningen. Sedan undersöks hypotesen mot existerande teori inom området på ett deduktivt sätt [11]. 3.2.4 Arbetets vetenskapliga angreppssätt Eftersom utvecklingen av flytbarhetsutrustningen är en nyutveckling med många okända faktorer har det för arbetet valts att genomföra studien utifrån etablerade teorier för produktutveckling. I och med att arbetet grundas på befintliga teorier kan det härledas till ett deduktivt angreppssätt. De empiriska data som samlas in från studiebesök och samtal med uppdragsgivare har kopplats till teorierna för produktutvecklingsarbetet. Detta för att uppnå en högre trovärdighet och för att säkerställa att kundbehoven uppfylls. 9 Nils Gustafsson & Markus Olsson 3.3 Forskningsmetod I detta avsnitt presenteras de olika synsätt och metoder till insamlingen av data samt hur arbetets insamlingsmetod har behandlats. 3.3.1 Kvalitativ metod En kvalitativ metod leder till resultat som är svåra att mäta så som personers upplevelser. Intervjuer är ofta sådant som ligger till grund för studien och de data som införskaffas sammanfattas oftast till en större text. Egna känslor och upplevelse ligger till stor grund och påverkar den insamlade informationen. Den kvalitativa studien kännetecknas av att den inte resulterar i tal eller siffror [10]. 3.3.2 Kvantitativ metod Med en kvantitativ metod används mätningar och statistik för att få fram information i siffror [12]. Även ett tal behövs förklaras och det är med denna metod viktigt att ha en förståelse för problemet så att informationen samlas in på rätt sätt. Den kvantitativa metoden är till skillnad från de kvalitativa bredare och man söker med större bredd men med färre faktorer. För att samla in denna information används ofta intervjuer som har precisa svarsalternativ eller genom tester och experiment [13]. Vanliga utmärkande associationer för de två metoderna sammanfattas i en tabell (se Tabell 1). 3.3.3 Arbetets forskningsmetod Vid insamlandet av data genomfördes under arbetets början intervjuer där dessa svar tolkades och översattes till målspecifikationer. Detta kan därmed ses som en kvalitativ metod då rapportskrivarnas egna tolkningar och erfarenheter spelar in i hur den insamlade informationen sammanfattades och användes under den tidiga fasen av produktutvecklingsprocessen. Beroende på i vilken fas arbetet är så går det över till den mer kvantitativa metoden då experiment och tester har utförts vid insamlandet av information för vidareutveckling av produkten. Tabell 1 - Vanliga associationer till kvantitativ respektive kvalitativ metod [14]. Kvalitativ metod Kvantitativ metod Ord Närhet Kontextuell förståelse Mjuka, rika data Siffror Distans Generalisering Hårda, tillförlitliga data 10 Nils Gustafsson & Markus Olsson 3.4 Sanningskriterier Följande avsnitt behandlas begreppen validitet och reliabilitet som är centrala delar inom sanningskriterier för vetenskaplig forskning. Slutligen diskuteras arbetets sanningskriterier. 3.4.1 Validitet Validitet är ett mått på hur bra studien mäter vad det utger sig för att mäta, förutsäger vad den var avsedd att förutsäga och med vilken noggrannhet observationerna utförts [15]. Intern validitet avser fastställandet av ett resultat. Således det förtroende för att det observerade resultaten är förklaring till effekterna av den oberoende variabeln, och inte är på grund av andra okända faktorer [15]. Extern validitet hänvisar till den generaliserbarhet ett forskningsresultat har. Det vill säga i vilken utsträckning forskningsresultatet kan generaliseras till andra populationer, inställningar eller behandlingar. Provtagningsåtgärder har en betydande inverkan på den externa validiteten [15]. 3.4.2 Reliabilitet Reliabiliteten är ett mått på hur konsistent ett resultat är när det tillämpas mer än en gång i en liknande situation [15]. 3.4.3 Arbetets sanningskriterier För att arbetet ska uppnå en hög validitet har ett deduktivt angreppssätt antagits. Genom att arbeta utifrån kända teorier inom området produktutveckling kan ett tillförlitligt resultat erhållas och således även en hög intern validitet upprätthållas. Eftersom examensarbetet har en begränsad tidsram har som tidigare nämnts arbetets fokus riktats åt utvecklingen av påfyllardelen av mätutrustningen. Utvecklingsprocessen är även applicerbar till övriga komponenter av mätutrustningen. Då de avgörande parametrarna är snarlika för alla mätutrustningens komponenter. Huruvida resultatet går att generalisera vidare till liknande applikationer bedöms därmed som högt. Detta resulterar i en hög extern validitet för arbetet. Vidare används flera egna tankar och känslor som ligger till grund för de beslut som fattats under produktutvecklingsprocessen. Detta medför att vid ett upprepande av studien kan ett annat slutresultat uppnås. Reliabiliteten kan därmed ses som något begränsad för arbetet. 11 Nils Gustafsson & Markus Olsson 4 Litteraturstudie Följande kapitel presenterar den litterära grund som arbetet bygger på. 4.1 Produktutveckling För att nå en ekonomisk framgång hos utvecklingsföretag är det viktigt att snabbt kunna omvandla kundbehov till en färdig produkt som säkerställer dessa behov. I följande avsnitt presenteras hur denna process (se Figur 3) kan genomföras från identifiering av kundbehov fram till val av koncept som ska vidareutvecklas till tillslutgiltig produkt [16]. 4.1.1 Identifiera kundbehov Kundbehoven lägger den grund som krävs vid uppstarten av produktutvecklingsprocessen. De ska även finna rätt riktning för att skapa produktspecifikationerna och vara till hjälp vid konceptgenereringen. Kundbehovet används också vid urvalet av koncept som ska vidareutvecklas. Genom ett utbyte av behov från kunden ges en full förståelse över kundbehoven så att produkten tillfredsställer kunden på ett optimalt sätt. Behoven ska uttryckas som vad produkten ska göra och inte hur de ska upprättas, detta för att ha en så hög mångsidighet som möjligt vid genereringen av koncept [16]. Målet med att identifiera kundbehoven är att säkerställa att produkten är inriktad mot kunden, garantera att teamet har en tydlig överblick över marknaden, lägga en bas för att grunda de olika koncepten på, samt hjälpa till vid valet av konceptsållningen [16]. 4.1.2 Upprätta målspecifikationer Från att ha samlat in kundbehoven så upprättas en översättning av dessa för att skapa en tydlig riktlinje hur produkten ska utvecklas för att tillfredsställa kundens behov. Dessa målspecifikationer ska reflektera de förväntningar och krav som produkten ska klara av. Specifikationerna sätts innan teknikens begräsningar är klargjorda vilket gör att en del av specifikationerna inte kommer att kunna upprätthållas och vissa istället överträffas [16]. Identifera kundbehov Upprätta målspecifikation Generera koncept Välja koncept Figur 3 - Produktutvecklingsprocessen [16] 12 Nils Gustafsson & Markus Olsson Testa koncept Upprätta slutgiltiga specifikationer 4.1.3 Generera koncept Utifrån kundbehoven och målspecifikationerna tas ett antal koncept fram som ska ge en ungefärlig beskrivning utav produktens teknik och utförande. Vid konceptgenereringen är det viktigt att alla medlemmar inom produktutvecklingsprocessen har förstått problemet. Oftast bryts det ner i mindre delproblem för att göra det enklare att lösa [16]. 4.1.4 Välja koncept I en fortsatt utveckling av en produkt måste ett eller flera koncept väljas ut för vidare utveckling. Detta är en process som oftast görs i två steg med en konceptsållning och en konceptpoängsättning. Koncepten jämförs där mot varandra utifrån kundbehoven genom att sätta poäng på huruvida ett visst koncept uppfyller ett specifikt behov [16]. Under konceptsållningen används ett av koncepten som referens och de resterande koncepten vägs mot referenskonceptet utifrån valda kriterier. Dessa betygsätts sedan utefter hur pass de uppfyller kriteriet bättre eller sämre än referenskonceptet [16]. Konceptpoängsättning är en liknande process men med en mer detaljer betygsättning för att sålla bort mindre lämpliga koncept. Vid tillfälle där ett koncept visar sig vara dominerande under konceptsållningen kan konceptpoängsättningen ses överflödig och uteslutas [16]. 4.1.5 Testa koncept Koncepttestning kan ske vid flera olika tillfällen under produktutvecklingen, främst är den till för att klargöra om produktkonceptet uppfyller kundbehoven men även för att få en bild av vilka förbättringar som kan behöva göras. Tester kan också användas för att upptäcka hur stor försäljningspotentialen är för konceptet [16]. 4.1.6 Upprätta slutgiltiga specifikationer De slutgiltiga specifikationerna görs med hänseende av de faktiska tekniska begränsningar som finns då produktkostnaden vägs in. Under denna process kan svåra trade-offs uppkomma vid val av önskade produktegenskaper mot tillverkningskostnader [16]. 13 Nils Gustafsson & Markus Olsson 4.2 Materialvalsprocess I det här avsnittet beskrivs processen för materialval (se Figur 4). Processen behandlar ett antal steg som är erforderliga för att komma fram till ett slutgiltigt materialval. En materialvalsprocess erfordras eftersom att utan att ha överblickat och rangordnat möjliga kandidater, är antalet lämpliga kandidater enormt och volymen av stödjande information överväldigande. När ett litet antal potentiella kandidater har identifierats ifrån överblickande och rangordning kan sedan detaljerad stödjande information sökas för dessa och uppgiften blir då lönsam [17]. 4.2.1 Översätt designkrav Vad det ställs för krav på en viss komponent beror helt på vad komponenten är tänkt att användas till och vilken funktion som vill uppnås med komponenten. En komponent kan ha en eller flera tänkta funktioner till exempel: att stödja en last, att innesluta ett tryck, att överföra värme och så vidare. Detta uppnås med hjälp av uppsatta begränsningar som till exempel: att vissa dimensioner är fasta, att komponenten måste bära en viss last eller innesluta ett visst tryck utan deformation, att den isolerar eller leder värme, att den kan fungera i ett visst temperaturintervall och i en viss miljö etc. [17]. Vid design av komponenten kan även specifika mål framkomma, exempelvis: att göra den billig, säker, så lätt som möjligt eller en kombination av dessa. Vissa parametrar som kan lämnas öppna för justering kan användas för att optimera målet med komponenten. Till exempel en designers frihet att variera dimensioner som inte har några begränsningar av andra konstruktionskrav. Dessa parametrar kallas för fria variabler [17]. En komponents funktion, begränsningar, mål och fria variabler är randvillkoren för materialvalet [17]. Alla material Översätt designkrav Överblicka med begränsningar Rangordna bäst lämpade Sök bekräftelse Figur 4 – Materialvalsprocessen [17] 14 Nils Gustafsson & Markus Olsson Slutgiltigt materialval 4.2.2 Överblicka med begränsningar För att kunna genomföra ett objektiv urval krävs det att alla material anses vara lämpliga kandidater till dess att annat blivit bevisat. Den första elimineringen av möjliga kandidater bör genomföras genom en bortsållning av de som inte uppfyller kraven alls eftersom en eller flera av attributen ligger utanför begränsningarna. Till exempel om komponenten måste fungera i kokande vatten, eller att komponenten måste vara transparant ställer detta uppenbara gränser för attributen för maxtemperatur vid användning och optisk transparens [17]. 4.2.3 Rangordna bäst lämpade Efter att ha överblickat med begränsningar återstår ett antal tänkbara kandidater. Genom att rangordna dessa med hjälp av materialindex kan den kandidat som ger bäst prestanda lyftas fram. En komponents prestanda är ibland begränsad av en enda egenskap och genom att maximera eller minimera denna egenskap kan prestandan för komponenten således maximeras. De egenskaper som ger komponenten bäst prestanda kan då användas för att rangordna de olika materialen och leda fram till den bästa kandidaten [17]. 4.2.4 Sök bekräftelse Resultatet av de steg som tagits hittills är en rankad kort lista över de kandidater som uppfyller begränsningarna och maximerar prestandan för komponenten. Det kan nu vara lockande att välja den kandidat som blev högst rankad i föregående steg. Det finns då en risk att man missar dolda hemligheter om materialet. Därför bör även ett bekräftelsesteg genomföras där man undersöker djupare vilka som är materialets styrkor och svagheter [17]. Den stödjande informationen som undersöks i bekräftelsesteget skiljer sig från de strukturerade egenskapsdata som använts för överblickandet med begränsningar och rangordningen. Informationen som söks är till exempel om materialet använts i liknande miljöer tidigare, information om tillgänglighet och prissättning, erfarenheter av materialets miljöpåverkan etc. Sådan information finns i handböcker, leverantörers materialdatablad och databaser. Bekräftelsesteget hjälper till att begränsa den korta listan till ett slutgiltigt val, vilket gör att en slutgiltig match mellan konstruktionskrav och materialattribut kan genomföras [17]. 15 Nils Gustafsson & Markus Olsson 4.3 Val av tillverkningsmetod För att undvika onödiga kostnader är det viktigt att tänka på valet av tillverkningsmetod i ett tidigt skede av designprocessen. Valet av tillverkningsmetod är beroende på komponentens material, form, dimensioner, noggrannhet samt hur många som ska tillverkas [18]. Tillverkningsprocessen utgår ifrån valt råmaterial (se Figur 5). Råmaterialet formas sedan till sin primära form detta kallas primärformning. Efter primärformningen följer sekundära processer som modifierar den ursprungliga formen till komponentens slutgiltiga form. Detta efterföljs sen eventuellt med ytterligare processer som inte påverkar komponentens form. Exempelvis ytbehandlingar och monteringsprocesser [18]. Råmaterial Primärformning Sekundära processer •Formning •Montering •Ytbehandling Färdig produkt Figur 5 – Tillverkningsprocessklasser [18] 16 Nils Gustafsson & Markus Olsson 4.4 Patent För att kunna få ensamrätt av ett kommersiellt utövande av en uppfinning finns patent. Patent innebär att det skapas ett kontrakt mellan stat och uppfinnare, som sedan har ensamrätt över uppfinningen mot att den offentliggörs. När detta patentkontrakt har skapats får uppfinnaren upp till tjugo år på sig med ensamrätt att sälja, licensiera, tillverka, hyra ut och importera uppfinningen i det land där patentansökan har beviljats [16]. För att få ett godkänt patent på en uppfinning behöver tre kriterier uppfyllas. Dessa är: Uppfinningshöjd Nyhet Industriell tillämpbarhet Innehar en uppfinnare ett patent innebär det att uppfinningen inte får utnyttjas olovligt och därmed kan även uppfinnaren som innehar patentet kräva skadestånd om någon gör intrång på patentet [16]. 17 Nils Gustafsson & Markus Olsson 4.5 Materialegenskaper Detta avsnitt tar upp och förklarar de olika materialegenskaper som har varit av betydande relevans för produktutvecklingen och vid val av material. 4.5.1 Värmeöverföring Transporten av värme uppstår på grund av temperaturskillnader mellan kroppar. Värmeöverföringen sker uteslutande ifrån den kroppen med hög temperatur till den med lägre temperatur. Överföringen av värme sker huvudsakligen på tre olika sätt: ledning, konvektion och strålning [19]. Två av dessa överföringar bedöms som relevanta för arbetet. Värmeöverföringen som sker på grund av strålningen bedöms ha begränsad påverkan för komponenten som arbetet behandlar. Därför läggs arbetets fokus istället på de övriga två typerna av värmeöverföring. Värmeledning Värmeledning kan förekomma i fasta, flytande och gasformiga medier. Ledningen sker genom en överföring av rörelseenergi från de partiklarna med större rörelseenergi till de närliggande partiklarna med lägre rörelseenergi. Där de partiklarna med högre temperatur har en större rörelseenergi som då överförs till närliggande partiklar med lägre rörelseenergi och således med lägre temperatur. För att en värmeöverföring genom ledning ska kunna uppstå krävs att det finns materia mellan de punkter som överföringen ska ske emellan [19]. Konvektion Konvektion uppstår när ett utbyte av värme sker mellan två medier. Just vid konvektion sker detta utbyte när en vätska eller gas värms upp av en yta. När vätskan eller gasen värms upp kommer den att vilja stiga vilket gör att det börjar strömma. Konvektionen ökas ju mer gas/vätska som finns att tillgå, detta kan ses vid liknelse med en termos där man stänger in en viss mängd gas för att minska konvektionen och därmed åstadkomma en bättre isolerandeförmåga [19]. Värmegenomgång Sammantaget krävs en helhetsbild över hela värmegenomgången, där det tas hänsyn till alla innefattande värmeövergångsförhållanden så som värmeövergångskoefficienten på den varma respektive kalla sidan samt värmeledningen genom väggen (se Figur 6). Ett hjälptal för att beräkna värmetransporter tvärsigenom väggar är värmegenomgångskoefficienten. Koefficienten är ett mått på en väggs förmåga att släppa igenom ett visst värmeflöde [19]. 18 Nils Gustafsson & Markus Olsson Vid beräkning av värmeledning och värmeöverföring tvärsigenom väggar används följande symboler och ekvationer [19]: Symboler: 𝑃= Värmeflödet [W] 𝜆 = Värmekonduktivitet [𝑚∙𝐾] 𝐿 = Cylinderlängd [𝑚] 𝑟1 = Innerradie [𝑚] 𝑟2 = Ytterradie [𝑚] 𝑡1 = Starttemperatur [𝐾] 𝑡2 = Sluttemperatur [𝐾] 𝛼𝑣 = Värmeövergångskoefficient varm sida [𝑚2 ∙𝐾] 𝛼𝑘 = Värmeövergångskoefficient kall sida [𝑚2 ∙𝐾] 𝑡𝑣 = Temperatur varm sida [𝐾] 𝑡𝑘 = Temperatur kall sida [𝐾] 𝑘𝑐𝑦𝑙 = Värmegenomgångskoefficient för cylindrisk vägga𝑟 [𝑚∙𝐾] 𝑊 𝑊 𝑊 𝑊 Ekvationer: Radiella värmeflödet för cylindriska rör: 𝑃 =2∙𝜋∙𝐿∙𝜆∙ 𝑡1 − 𝑡2 𝑟 [W] 𝑙𝑛 𝑟2 1 Ekvation 1 Värmeöverföring tvärsigenom cylindriska väggar: 𝑃 = 2 ∙ 𝜋 ∙ 𝐿 ∙ 𝑘𝑐𝑦𝑙 ∙ (𝑡𝑣 − 𝑡𝑘 ) [𝑊] Ekvation 2 Värmegenomgångskoefficient för cylindriska väggar: 1 1 1 𝑟2 1 𝑊 = + ∙ 𝑙𝑛 + [ ] 𝑘𝑐𝑦𝑙 𝛼𝑣 ∙ 𝑟1 𝜆 𝑟1 𝛼𝑘 ∙ 𝑟2 𝑚 ∙ 𝐾 Ekvation 3 19 Nils Gustafsson & Markus Olsson Figur 6 - Värmeöverföring tvärsigenom cylindriskvägg [19] 4.5.2 Temperaturspänning Under uppvärmning utvidgas i stort sätt alla konstruktionsmaterial. När ett material inte utvidgas lika över hela delen så uppstår en spänningsdifferens. En plötslig temperaturökning och volymexpansion bidrar till en ökad temperaturspänning, detta kallas termochock. Vid tillräckligt stora spänningar kan det bildas sprickor i materialet [20] [21]. 4.5.3 Hydrostatiskt tryck Hydrostatiskt tryck även kallat vätsketryck ökar i förhållande till vätskans djup. I horisontalplan är trycket i vätskan konstant och förändras enbart i nivåskillnaden där ett större djup ökar trycket och närmre vätskeytan minskar trycket. Utöver nivån påverkar vätskans densitet också vätsketrycket då tyngden av vätska ovan blir större. Det hydrostatiska trycket kan beräknas med följande ekvation [22]: Symboler: 𝑝 = Hydrostatiskt tryck [𝑃𝑎] 𝜚 = Vätskans densitet [𝑘𝑔 ∙ 𝑚3 ] 𝑔 = Jordacceleration [𝑠2 ] 𝑚 ℎ = Nivåskillnad [𝑚] Ekvation: Hydrostatiskt tryck: 𝒑 = 𝝔 ∙ 𝒈 ∙ 𝒉 [𝑷𝒂] Ekvation 4 20 Nils Gustafsson & Markus Olsson 4.6 Formmaterial I följande avsnitt presenteras olika material som traditionellt använts till engångsprodukter med högtemperatursapplikationer. 4.6.1 Sand för engångsformar Mineralfragment med en storlek på mellan 0.02-2 mm är det som i detta arbete definieras som sand. För att kunna säkerhetsställa egenskaper på sanden så delas den upp och sorteras till en jämn kornstorlek. Partiklar som är mindre än 0,02 mm ska inte förekomma till sand som används i gjutformar då detta definieras som slam. De sandtyper som vanligen förekommer och kommer tas upp nedan är, ren kvartssand, kvarts-fältspatssand, olivinsand, kromitsand och zirkonsand [23]. Ren Kvartssand Ren kvartssands har en rund kornform, en densitet på 2,65 g/cm3 och en sintringoch mjukningstemperatur på ca 1500°C. Sanden smälter vid 1700°C och kemiskt består det av kiseldioxid, 𝑆𝑖02 . När kvartssanden värms upp från rumstemperatur till smältpunkt så sker flera omvandlingar i sanden samtidigt som en förhållandevis kraftiga volymexpansion sker, denna är som störst vid 575°C. Detta i sin tur kan leda till sprickor i formväggen på grund av den plötsliga expansionen (se Figur 7). Ytterligare en nackdel är att partiklar med storleken mellan 1 till 5 µm från den rena kvartssanden kan vid inandning ge sjukdomen silikos [23]. Den rena kvartssanden har gemensamt med kvarts-fältspatssanden fördelar som att de kan användas med de flesta bindemedlen, har förhållandevis låg densitet och är något billigare än de andra sandtyperna som kommer tas upp framöver i rapporten [23]. Figur 7 - Termisk expansion som funktion av temperaturen för olika sandtyper [24]. 21 Nils Gustafsson & Markus Olsson Kvarts-fältspatssand Kvarts-fältspatssanden har en rund till kantrund form vilket gör att mindre bindemedel behövs appliceras och består för det mesta utav en blandning av 75 % kvartssand och 25 % fältspatssand. Sanden har en sintringstemperatur på ca 1275°C, en densitet på 2,65 g/cm3 och är den sand som till största del används på de svenska järn- och metallgjuterierna [23]. I förhållande till den rena kvartssanden så gör innehållandet utav fältspats att expansionen minskar under uppvärmning och där med också risken för brott i formväggen. Sanden levereras oftast tvättad vilket även minskar risken för inandning utav de små partiklarna som finns i den rena kvartssanden då dessa partiklar har tvättats bort [23]. Kvarts-fältspatssand utvinns i Sverige runt om vätternområdet, Baskarp. Denna sand är då mer känd vid namnet Baskarpsand [23]. Olivinsand Mineralet olivin består kemiskt av magnesiumsilikat, fosterit (𝑀𝑔2 𝑆𝑖𝑂4) och järnsilikat, fayalit (𝐹𝑒2 𝑆𝑖𝑂4 ). Det har en kantig kornform vilket leder till att det krävs en större mängd bindemedel samtidigt som sanden är dyrare än de kvartsbaserade sandtyperna. Olivinsanden utnyttjas oftast vid tillverkningen av höglegerat manganstål då mängden fastbränningar blir lägre på grund av att sanden är kemisk inert med den alkaliska slaggen hos manganstål. Detta gör att sanden inte behöver uteslutas rent kostnadsmässigt då inte lika mycket rensning behövs göra [23]. Olivinsand har densiteten 3,2–3,6 g/cm3, sintringstemperatur på ca 1425°C och är basiskt vilket kan skapa svårighet vid härdningsprocessen med vissa bindemedel så som furanhartsbindemedel [23]. Kromitsand Kromitsanden har en kantig kornform och krävs därmed mera bindemedel, kemiska formeln för kromit är 𝐹𝑒𝑂 ∙ 𝐶𝑟2 𝑂4 . Densiteten är 4,6 g/cm3 vilket är nästan dubbelt så högt jämfört med kvartssanden vilket ger formar som väger dubbelt så mycket, samt att den höga densiteten ger ett högt pris. Sanden har hög värmeledningsförmåga och har därmed en kylande effekt samt tål hög termisk påfrestning [23]. 22 Nils Gustafsson & Markus Olsson Zirkonsand Zirkonsilikat har den kemiska beteckningen 𝑍𝑟𝑆𝑖𝑂4 och har en rund kornform vilket medför en låg tillförsel av bindemedel. Densiteten är på 4,7 g/cm3 och har en sintringstemperatur på över 1600°C. Sanden används ofta till gjutgods där krav på fin ytjämnhet eftersträvas då sanden har en låg medelkornstorlek. Zirkonsand går till skillnad från olivin- och kromitsand att blanda med kvartssanden och är den sand som expanderar minst vid uppvärmning i förhållande till de andra sandtyperna som nämnts ovan. (se Figur 7) [23]. Den största nackdelen med zirkonsand är det höga priset beroende på att det förekommer väldigt sparsamt i naturen vilket gör den till den dyraste gjutsanden av de som tagits upp tidigare. Den höga densiteten är också en stor nackdel [23]. 4.6.2 Material x Av sekretesskäl får inte denna information visas, av denna anledning kommer detta material benämnas som (material x) i rapporten. 23 Nils Gustafsson & Markus Olsson 4.6.3 Gips Gips är den vardagliga benämningen på kalciumsulfat (CaSO4). Materialet säljs som finkornigt mjölliknande pulver. När kalciumsulfatet blandas med vatten startar en härdningsprocess som gör att gipset stelnar. För att torka ut allt det inneslutna vattnet krävs en eftervärmning av gipset i ugn på ca 200°C under 2-10 dagar beroende på storlek [25]. Värmeledningsförmågan för gips är låg vilket ger materialet bra isolerande egenskaper. En fördel med gips är att det kan återvinnas och återanvändas flera gånger genom att genomgå samma metod som förbehandlingen. Gips är känsligt för fuktighet och ska därför alltid förvaras inomhus på en torr plats och användas så snart som möjligt efter en förpackning brutits [26]. Vid hantering av gips bör användaren vara medveten om att det finns säkerhetsoch hälsorisker. Inandning av det finkorniga pulvret är farligt om det kommer ner i lungorna. Även brännande och allergiska reaktioner kan uppstå om gipset kommer i kontakt med huden. Därför bör dammfiltermask och skyddshandskar användas vid hanteringen [26]. 4.6.4 Bindemedel För att sanden ska behålla sin form från gjutmodellen så krävs det att sanden är blandad med ett bindemedel som binder ihop sandkornen. Vilket bindemedel som ska användas kan grundas på flera faktorer så som hur stor serie som ska tillverkas, påverkan av miljön, härdningstid och om det behövs investeras i ny utrustning för ändamålet [23]. Bentonit Leran bentonit har en elektrokemisk bindningskraft och är det bindemedlet som är vanligast bland gjuterierna. Det består av mineralet montmorillonit som är uppbyggt genom att det är som tunna skikt där vatten skapar bindningar mellan skiktet. [23]. Fördel med bentoniten är att den tar upp vatten och sväller upp, när den sedan torkar under gjutningsprocessen så avlägsnas vattnet och det krymper vilket gör att sandkornen kan expandera utan att det bildas spänningar i formen vilket minskar risken för sprickor [23]. Användningen av bentonit är väl lämpad för större serietillverkning. Återanvändningen av formmaterialet gör det till en resursbesparande metod [25]. 24 Nils Gustafsson & Markus Olsson Furan Furan består av ett harts och en syra (härdare). Främst är det fenolfuranharts som används tillsammans med furfurylalkohol även kallad FA, som är den vanligaste typen av harts. Oftast består det av 40-60 % FA och ju högre innehåll av FA i bindemedlet desto bättre egenskaper har det, de är dock även de dyraste. Mindre än 50 % är inte att rekommendera då det i de fallet krymper relativt mycket och blir då i sin tur sprött och spricker [23]. Tiden det tar för syran att härda sanden är ca 30 minuter vilket går att påskynda genom att öka syrans styrka, förvärma sanden eller öka mängden syra som tillförs. Sanden ska helst hålla en temperatur på minst 20° då härdningstiden annars kan ökas drastiskt eller helt utebli [23]. Viktigt är efter härdningen att sandformarna får stå tillräckligt länge innan användning för att få full hållfasthet. Detta på grund av att vid härdningen så bildas vatten som sänker hållfastheten, detta måste avdunstas innan användningen [23]. Vattenglas Ett oorganiskt bindemedel som är relativt vanligt är vattenglaset. Vattenglas består av natriumsilikat löst i vatten. Bindemedlet är ur en miljösynpunkt väldigt god och alldeles unikt med vattenglaset är att det kan härdas på flera olika sett beroende på tillverkningens utformning. Vattenglas kan härdas genom CO2, flytande härdare som olika typer av estrar samt torkningshärdning som sker via tillförsel av värme [23]. Vid förvaring med väl slutna kärl kan formar som är bundet med vattenglas förvaras i upp till ett år innan egenskaperna påverkas. Nackdelar med att härda med ester jämfört med CO2 är att det tar längre tid att härda samt är mer miljöbelastande [25]. 25 Nils Gustafsson & Markus Olsson 4.7 Tillverkningsmetoder I följande avsnitt beskrivs de tillverkningsmetoder som bedöms vara relevanta för detta arbete. Pressgjutning är den mest använda gjutmetoden för aluminium och gör det till den gjutmetod där den största potentialen att sälja många produkter finns. Vidare tas de tillverkningsmetoder upp som kan ses som lämpliga tillvägagångsätt vid framställning av produkten. 4.7.1 Pressgjutning Pressgjutningen är en gjutmetod där utgjutningen sker i permanenta stålformar. Till största del används metoden till att gjuta produkter i Aluminium-, Zink-, Magnesium- och Kopparlegeringar. Utgjutningen sker med hjälp av en kolv som pressar metallen från en kammare genom ett munstycke vidare ut i gjutformen med högt tryck. Med hjälp av det höga trycket kan hög dimensionsnoggrannhet och ytjämnhet upprätthållas och fyllning av mycket tunna sektioner möjliggöras. I och med att formen är gjord av stål blir verktygskostnaden hög och detta ställer krav på stora serier [23] [27]. Detta är en tillverkningsmetod där metallens flytbarhet är en viktig parameter för ett bra resultat. 4.7.2 Sandgjutning Vid sandgjutning utgår man ifrån en gjutmodell av den färdiga produkten. Den vanligaste metoden är att man gör en tvådelad form i sand med en underdel och en överdel så kallade under- och överflaska. Sand, blandat med ett bindemedel för att hålla samman sandkornen, packas runt om gjutmodellen och efter härdning av sanden plockas modellen bort och ett hålrum har skapats i sandformen. Samma procedur görs sedan med andra delen [27] [28] [29]. De två delarna sätts samman och hålrummet fylls med smält metall där sandformen kan plockas bort när metallen har avsvalnat och stelnat. Sandgjutning är en tillverkningsmetod som riktar in sig på produkter där ytans finish inte är prioriterad då den färdiggjutna produkten kommer har en sträv yta så som sandens [29]. 26 Nils Gustafsson & Markus Olsson 4.7.3 Sandformning med självstelnande massor Självstelnade formmassor används ofta vid kortare produktionsserier eller vid enstyckstillverkning. Vanligtvis används vattenglas och furanhartsbundna massor [25]. De självstelnade massorna kräver tillskillnad från de lerbundna massorna lite manuellt arbete och även om de används till kortare serier så kan mycket av arbetet ske maskinellt. Trots detta kallas ofta tekniken fortfarande för manuell formning eller handformning [25]. 4.7.4 Skalformning med sand Skalformning är en tillverkningsmetod som kännetecknas av en hög produktionstakt och långa serier. Metoden går till genom att hartsklädd sand blandat med en härdare kommer i kontakt med en uppvärmd modell [25]. Hartset närmst modellen kommer då att smälta och binda ihop sanden som ett skal runt om modellen (se Figur 8). Beroende på hur lång kontakttiden är så kommer tjockleken variera från ungefär 3 till 15 mm. Vid godsvikter från 100 gram till 1 kg krävs en serie på 500 detaljer per år för att uppnå en lönsamhet. Denna metod är effektiv när tunnväggigt gjutgods ska uppnås [25]. Figur 8 - Skalformning [30] 27 Nils Gustafsson & Markus Olsson 4.7.5 Råsandsformning Vid tillverkning av engångsformar är det råsandsformning som till största del används. Formmassan är vanligen bentonitbunden sand och en av de vanligaste teknikerna vid formningen är användning av pressning vid kompaktering. Pressningen sker enklast med en plan pressplatta, vid mer komplicerade modeller med olika höjdnivåer uppstår dock problem med att sanden inte blir jämnt packad (se Figur 9) [25]. Som lösning på detta problem finns pressplattor med flera av varandra oberoende stämplar som ska följa modellen på ett bättre sätt (se Figur 10). Nackdelen är att verktygen är dyrare men detta kan ses som nödvändig för att uppnå en jämn packningsgrad [25]. 4.7.6 Gjutning i gipsform Vid gjutning i gipsformar används ett gips som blandas med vatten. Gjutformen är begränsad till gjutning med aluminium- och magnesiumlegeringar. Tekniken går till på liknande sätt som vid sandgjutning men istället för att sand packas runt modellen så hälls gips i formen som stelnar och formas efter modellen. Gjutning i gipsform används normalt vid serietillverkningar från enstaka partier till 1000 enheter. Gipsformning tillhör formningen av självstelnande massor [25]. Främst används gipsformar när komplicerade gods ska framställas, gods som i vissa fall inte går att tillverka genom sandgjutning. Metoden används även vid prototypframtagningen då toleranserna och utseende blir likt färdiga gjutgodset. Ett annat användningsområde är när mycket tunt gods ska tillverkas [25]. Figur 9 - Kompaktering med pressning [31] Figur 10 - Flerstämpelpressning [32] 28 Nils Gustafsson & Markus Olsson 5 Genomförande Följande kapitel presenterar genomförandet av projektet. Inledningsvis beskrivs hur arbetet strukturerats. Kapitlet följs sedan upp med avsnittet som beskriver genomförandet av processtegen i produktutvecklingsprocessen samt beskriver hur valet av material och tillverkningsmetod har genomförts. Arbetet har det delats in i fyra olika faser (se Figur 11). Fasindelningen bygger på en problemlösningsmetod utvecklad av Georg Polya [33]. Första fasen är definitionsfasen där fokus ligger på att förstå problemet och detta innefattas i kapitel ett och två. Utifrån det upprättas en planering och den metodologi som erfordras för att nå de uppsatta målen (se Bilaga 1 & kapitel 3). Därefter genomförs arbetet utifrån den upprättade planeringen och slutligen utvärderas lösningen till problemet. Start Definition Planering Utförande •Bakgrund •Mål •Avgänsningar •Nulägesbeskrivning •Ganttschema •Metod •Produktutvekling •Materialval •Tillverkningsmetod •Resultat och Analys •Diskussion Utvärdering •Slutsats Mål Figur 11 - Arbetets olika faser 29 Nils Gustafsson & Markus Olsson 5.1 Produktutveckling I detta avsnitt presenteras genomförandet av alla innefattande steg i produktutvecklingsprocessen. 5.1.1 Identifiering av kundbehov Kundbehoven har bearbetats fram ifrån fyra utgångspunkter: Uppdragsgivarens önskemål Studiebesök Produktens livscykel Användarprocess Uppdragsgivarens önskemål Vid arbetets start framkom diverse önskemål från uppdragsgivaren där de poängterade hur pass viktigt det var att flytbarhetsverktyget skulle vara lätt att använda, ge noggranna mätningar och vara säker. Detta är önskemål som är viktiga för produktutvecklingsprocessen. Kraven är sammanfattade nedan. Från uppdragsgivaren: Utrustningen ska vara enkel att använda Användarvänlig Utrustningen ska vara säker Säker Utrustningen ska gå att tillverka till ett Pris konkurrenskraftigt sätt Utrustningen ska vara en miljöriktig produkt Miljövänlig Utrustningen ska utföra noggranna mätningar Hög repeterbarhet Studiebesök Innan konceptgenereringen tog start så bestämdes ett studiebesök hos Lundbergs Pressgjuteri som är beläget i Vrigstad. Lundbergs Pressgjuteri är en legotillverkare av pressgjutna aluminiumprodukter. Studiebesökets ändamål var att få en större insikt i vilken miljö verktyget ska användas i och få vetskap om vad en tilltänkt användare har för krav på produkten. Detta för att ha rätt tankar vid framtagandet av koncept som ska tillfredsställa kundens behov. Ett stort problem hos Lundbergs Pressgjuteri var att företaget inte kunde säkerhetsställa metallens kvalité vid omsmältningar, varför de var intresserade av att kunna mäta och kontrollera flytbarheten. Utöver kraven som Bryne har satt upp framkom under studiebesöket också några önskemål från gjuteriet. Från studiebesök: Inte stanna upp processen Inga processtopp Ett verktyg som mäter löpande Löpande mätning 30 Nils Gustafsson & Markus Olsson Flytbarhetsutrustningens livscykel För att få ett helhetsperspektiv över vad flytbarhetsutrustningen kommer att gå igenom under sin livscykel har en livscykelprocess sammanställts (se Figur 12). Utifrån livscykelprocessen har följande produktönskemål klargjorts: Från livscykel: Utrustningen ska paketeras på ett optimalt sett Paketering Utrustningen ska kunna transporteras Transport Utrustningen ska kunna lagras över tid Lagring Utrustningen ska kunna eftersorteras för återvinning Återvinning Utvinning av råmaterial Återvinning Tillverkning Eftersortering Paketering Mätning Transport Uppackning Lagring hos kund Figur 12 - Flytbarhetsutrustningens livscykel 31 Nils Gustafsson & Markus Olsson Användarprocess Hur användarprocessen kommer att se ut är en väsentlig parameter för att få en förståelse över vilka problem som kan komma att uppstå under användandet. Stegvis vilka moment detta innefattar har genomgåtts teoretiskt och har stärkt de önskemål som uppdragsgivaren samt Lundbergs Pressgjuteri hade sedan tidigare. Användarprocessen (se Figur 13) har visat sig vara till hjälp vid uppsättning av de målspecifikationer som fastställts i nästa avsnitt. Uppackning Påfyllning av behållare Invänta önskad temperatur Stopper avlägsnas Invänta metallens stelning och avsvalning Rensning av formmaterial Analysera mätresultat Eftersortering Figur 13 - Användarprocess för flytbarhetsmätning 32 Nils Gustafsson & Markus Olsson 5.1.2 Upprätta målspecifikationer Genom att utveckla kundbehoven och ta fram mer specifika delkrav, ges en vidare bild av målen som måste uppnås. Detta bidrar även med inspiration till den kommande konceptframtagningen. Problemen som har upptäckts under de funktionstester av befintlig prototyp är också saker som kommer ha inverkan i processen. För att undvika att samma problem inte stöts på igen har uppdragsgivarens tidigare erfarenheter här tagits upp som mål. Detta är målspecifikationer som gäller för hela flytbarhetsutrustningen och inte enbart påfyllaren. Användarvänlig En genomtänkt design som hjälper användaren att utföra mätningar på rätt sätt Minimera antalet processteg för mätningen Enkelt att rensa formmaterialet Säker Inga vassa kanter Minimera risk för läckage Arbetsmiljösäkert material Eliminera sprickbildningar genererade av termochock Klara av en arbetstemperatur på minst 800° C Transport Utstå vibrationer vid transport och lagring utan minskad hållfasthet Transportera på standardpall Pris Materialkostnaden ska vara inom rimliga gränser Konkurrenskraftig tillverkning Engångsprodukt Miljövänlig Material som inte har stor belastning på miljön Materialen ska kunna gå att återvinnas 33 Nils Gustafsson & Markus Olsson Paketering Kompakt design för optimerad transport och lagring Paketera så att utrustningen bibehåller sina egenskaper Lagring Lagerlivslängden ska vara minst 6 månader Lagras på standardpall Noggrann mätning Repeterbara mätresultat Långsam nedkylning av den smälta metallen i påfyllaren för att lättare kontrollera temperaturen vid mätning Ta bort mänskliga faktorer som påverkar mätningen. Inga processtopp Utrustningen får inte ha någon negativ inverkan på processen, utan ska kunna användas utan att påverka produktiviteten i gjutprocessen. Resultaten ska efter analys skapa en ökad processtabilitet och eventuella avvikelser från normaltillstånd ska kunna åtgärdas så att processinverkan minimeras. Mätningen ska kunna ske löpande och på så sätt säkerställa en jämnare kvalitet på den smälta metallen. 34 Nils Gustafsson & Markus Olsson 5.1.3 Generera koncept Utifrån, bakgrund, problemformulering och målspecifikationerna startades en teoretisk konceptgenerering av påfyllaren. För att inte låsas in i varandras idéer valde gruppen att sitta avskilt till en början för att ha så vida idéer som möjligt. Gruppen träffades sedan för att diskutera och utbyta varandras idéer och kombinerade dessa för att gå vidare med de koncept som ansågs vara bäst lämpade. Dessa koncept illustreras nedan. Koncept Högsmal För att kunna genomföra mätningar från både mitten- och sidinlopp har ett koncept som är högt och smalt framställts (se Figur 14). Den smala öppningen kan medföra problem vid påfyllande av metall. Därför har ett urtag gjorts i överkant för att minska risken för spill och för att få en naturlig avlastningspunkt för slev eller degel som används för påfyllning. Halsen är utskuren för att lätt kunna fixeras i överdel. Figur 14 - Koncept Högsmal 35 Nils Gustafsson & Markus Olsson Koncept Lågvid Som direkt motpol till Koncept Högsmal framtogs Koncept Lågvid (se Figur 15). Halsen har samma form och går även här att lätt montera på överdelen. Att den är vid och låg medför mer kontakt med luft än vid smalare utföranden. Detta kan vara en fördel för avsvalningen av metallen då luft har en lägre värmeledningsförmåga än t.ex. sand. Figur 15 - Koncept Lågvid Koncept Slagg Som en direkt lösning till de problem som finns i att orenheter, även kallat slagg i metallen kan följa med ner i spiralen och påverka mätresultatet så har en upphöjning gjorts vid utloppet ner till spiralen (se Figur 16). Detta är en beprövad design ute på gjuterier som gör att slagget som lägger sig på botten av påfyllaren således inte ska följa med ner i spiralen utan kommer att samlas upp i påfyllaren och stanna där. Figur 16 - Koncept Slagg 36 Nils Gustafsson & Markus Olsson Koncept Isolering Detta koncept bygger på de problem som finns i att smältans temperatur sänks för fort (se Figur 17). Konceptet baseras på den teori om värmeöverföring som presenteras i litteraturstudien. Genom att skapa ett luftrum som fungerar som en isolering till påfyllaren kan temperaturen sänkas långsammare (se Figur 18). Den värme som annars bortförts ut i luften genom konvektion samlas här upp i luftrummet. Detta koncept är ur tillverkningssynpunkt inte optimalt vilket gör den svår att producera. Figur 17 - Koncept Isolering Figur 18 - Koncept Isolering, snittvy 37 Nils Gustafsson & Markus Olsson Koncept Kant För att tillgodose en kompakt design har Koncept Kant tagits fram som ett komplement till de tidigare koncepten som har byggt på en cylindrisk behållare (se Figur 19 & Figur 20). Denna design kan dock medföra risker med större spänningar i materialet vid dess skarpa hörn. Fördelen är vid paketering att när överdel och påfyllare tillverkas som en del så kan två verktyg paketeras ihop och ta upp mindre plats vid transport och lagring. Figur 19 - Koncept Kant Figur 20 - Koncept Kant med överdel 38 Nils Gustafsson & Markus Olsson 5.1.4 Konceptsållning Utifrån de framtagna koncepten från tidigare avsnitt har en konceptsållning gjorts (se Tabell 2). Detta för att se vilka av funktionerna hos koncepten som är genomförbara och därmed kunna sortera bort de som inte är lämpliga jämfört med de uppsatta målspecifikationerna. Specifikationer som miljö och transport kommer att tas med som en aspekt vid val av material och inte vid denna konceptsållning. Tabell 2 - Konceptsållning Konceptsållning Högsmal Lågvid Isolering Kant Slagg Användarvänlig 0 + 0 – 0 Säker 0 + 0 0 0 Pris 0 0 – – 0 Paketering 0 + 0 + 0 Resultat 0 +3 –1 –1 0 Vidareutveckling Ja Ja Nej Nej Ja Från konceptsållningen har tre av de enklare koncepten, högsmal, lågvid och slagg tagits fram för vidareutveckling. Designen hos de andra koncepten innebär en ökad produktionskostnad vilket har varit den största anledningen till att de inte kommer att vidareutvecklas. Vidare för att kunna dimensionera påfyllaren och få en uppfattning om hur koncepten ska appliceras hos påfyllaren har experimentella tester utförts. Dessa tester lägger grunden för de konceptval som görs vilket ska leda till en slutgiltig prototyp. 39 Nils Gustafsson & Markus Olsson 5.1.5 Testning av koncept Eftersom att utvecklingen av flytbarhetsutrustningen är en nyutveckling med många okända parametrar är det viktigt att inte begränsa sig till enbart teoretisk produktutveckling. Därför har en laborativ del med experiment genomförts under arbetets gång. Design Med hjälp av experimenten ska den geometriska formen och dimensioner för påfyllardelen undersökas. Parametrar som bedöms som viktiga att undersöka är volymdistribution, godstjocklek, funktion och design. För att undersöka de två förstnämnda parametrarna har två separata experimentella tester framtagits. En designjämförelse och ett godstjocklekstest. Funktion ligger till grund för alla genomförda experiment och kommer diskuteras löpande. Detta för att undersöka att kraven på kundbehov, användarvänlighet etc. uppfylls. Designen diskuteras kontinuerligt genom alla genomförda tester för att hitta bäst lämpade design till påfyllaren. Utöver de rent experimentella testerna har kvalitativa designtester genomförts för att undersöka olika former till påfyllare och förstå helhetsperspektivet för flytbarhetsutrustningen. I Bilaga 6 presenteras mer utförligt hur dessa experiment har genomförts. Godstjocklek Med grund i teorin som presenteras i litteraturstudien om värmeledning och temperaturspänning utvecklas ett experiment för att undersöka hur godstjockleken påverkar temperaturavsvalningen samt hållfastheten. Värmeledning genom cylindriska väggar är direkt beroende av ett antal parametrar som presenteras i Ekvation 1 i litteraturstudien. Utifrån ekvationen kan det utläsas att de parametrar som påverkar värmeflödet i påfyllarens fall är följande: area, värmekonduktivitet, godstjocklek och temperatur. För att kunna få största möjliga isolerande förmåga är det av stor vikt att se till hela systemets värmeöverföring. Som Ekvation 2 & Ekvation 3 i litteraturstudien beskriver är värmegenomgångskoefficient och värmeflödet tvärsigenom cylindriska väggar beroende av alla systemets ingående delar. 40 Nils Gustafsson & Markus Olsson I fallet för påfyllaren är det således viktigt att beakta värmeöverföringen från den smälta metallen genom formvägg och ut i det klimat som är utanför väggen. Detta för att få en förståelse för hur en optimerad isolering och maximerad avsvalningstid kan uppnås. Ytterligare ska experimenten leda till en undersökning i hur godstjockleken påverkar uppkomsten av termochock och de sprickbildningar som detta medför. I Bilaga 2 presenteras mer utförligt hur dessa experiment har genomförts. Hydrostatiskt tryck Utifrån de teoretiskt framtagna koncepten har de grundläggande funktionerna från dessa tagits med för vidareutveckling. Detta för att kunna avgöra hur en olikt distribuerad volym av smält metall inverkar på mätresultatet samt att få riktvärden för komponentens dimensioner. Som Ekvation 4 beskriver i litteraturstudien är hydrostatiskt tryck beroende på den smälta metallens densitet, jordaccelerationen och nivåskillnaden. Jordaccelerationen är inget som kan påverkas utan kommer att vara konstant. Den smälta metallens densitet kommer i experimenten vara i stort sätt den samma eftersom att det i samtliga experiment används smält aluminium. Den enda parameter som kan variera i fallet påfyllare är således nivåskillnaden. Därför genomförs en experimentell designjämförelse där samma volym smält metall hälls i två olika utföranden av påfyllare. En högsmal och en lågvid variant. I Bilaga 4 presenteras mer utförligt hur dessa experiment har genomförts. 41 Nils Gustafsson & Markus Olsson 5.2 Materialvalsprocess I följande avsnitt beskrivs hur materialvalet har genomförts. Parallellt med produktutvecklingsprocessen har en materialvalsundersökning genomförts. Detta för att ta tillvara på den kunskap som fanns hos både uppdragsgivare och handledare. Materialvalsundersökningen grundats på följande fyra utgångspunkter: Tidigare använda material Specialistkunskaper hos handledare Experimentell materialjämförelse Strukturerad materialundersökningsprocess Tidigare använda material Historiskt sett har sand haft en utbredd användning för form- och kärntillverkning inom gjuteribranschen. Av den anledningen hade uppdragsgivaren använt sand som formmaterial till sina första experiment. Därför inriktades även examensarbetets materialundersökning initialt till att undersöka liknande material som tidigare använts. Avsikten med undersökningen är att ta fram ett optimalt material som tillfredsställer de satta behoven. I litteraturstudien presenteras den teori, om olika sorters sand och bindemedel, som legat till grund för första materialundersökningen (se Tabell 3). Tabell 3 - Poängsättningsmatris olika sandtyper Attribut Material Kvartssand Kvarts-fältspatssand Olivinsand Kromitsand Zirkonsand Sämre = -1 Expansion Pris Densitet Arbetsmiljö Σ 0 2 0 –1 –1 Medel = 0 Bättre = +1 Utifrån det tidigare använda materialet kvarts-fältspatssand (baskarpsand) så ses även detta som det mest lämpade av de undersökta sandtyperna. Vidare kan dock diskuteras om man behöver en dyrare sand för att uppnå mer specifika egenskaper hos sanden. 42 Nils Gustafsson & Markus Olsson Specialistkunskaper hos handledare Vid samtal med en av examensarbetets handledare, Bo Jonson, materialspecialist, framkom det att återvunnet (material x) skulle kunna vara ett alternativ för den engångsprodukt arbetet behandlar. Därför bedömdes det som intressant att både teoretiskt och experimentellt undersöka hur det återvunna (material x) reagerar med den smälta metallen. Experimentell materialjämförelse För att undersöka om (material x) går att använda till produkten genomfördes ett antal experimentella tester. Testerna utfördes för att kunna göra en jämförelse mellan de två olika materialen (material x) och sand. Detta för att direkt kunna avgöra om (material x) går att använda till det tänkta ändamålet. I Bilaga 3 presenteras mer utförligt hur dessa experiment har genomförts. Teoretisk materialvalsprocess För att säkerställa att inte några lämpliga kandidater förbisetts genomförs en teoretisk materialundersökningsprocess som finns beskriven i litteraturstudiekapitlet. Genomförandet ifrån denna undersökning beskrivs i följande avsnitt. 43 Nils Gustafsson & Markus Olsson 5.2.1 Översätta designkrav Funktion Kunna innesluta och transportera vidare smält metall vid given tidpunkt. Begränsningar Utrustningen ska klara av en arbetstemperatur på minst 800 grader Celsius Mål Utifrån målspecifikationerna framtagna i produktutvecklingsprocessen har några betydande attribut för materialvalet ställts upp som mål. Isolering - Eftersom det vid tidigare tester visat sig att metallen svalnar snabbt är det av hög prioritet att förlänga avsvalningstiden och därför hitta ett material med så låg värmeledningsförmåga som möjligt. Rensning - Material ska helst släppa lätt från metallen efter stelning så det blir lätt att återvinna. Engångsprodukt - Eftersom produkten ska vara en långsiktig inkomstkälla för Bryne AB har det som mål satts upp att produkten ska vara en engångsprodukt som kan massproduceras. Detta medför att priset måste hållas inom rimliga gränser för vad en slutanvändare är beredd att betala. Hållfasthet - Produkten måste klara av vibrationer och stötar som uppkommer vid transport och under användandet. Miljö - Materialet ska ha så liten påverkan på miljön som möjligt. Lagerlivslängd - Produkten ska kunna gå att lagras i minst 6 månader utan att hållfastheten försämras. Arbetsmiljö - Produkten ska vara säker att använda ur arbetsmiljösynpunkt. Fria variabler Dimensioner 44 Nils Gustafsson & Markus Olsson 5.2.2 Överblicka med begränsningar När designkraven är fastsatta är nästa steg i materialvalsprocessen att överblicka med begränsningar. För att inte missa någon möjlig kandidat ses först alla huvudklasser av konstruktionsmaterial som lämpliga kandidater (se Figur 21). Figur 21 – Konstruktionsmaterial [34] Metaller har för hög värmeledningsförmåga och kommer därför leda bort värmen från den smälta metallen snabbt vilket kommer att försvåra mätningen av flytbarhet. Polymerer och trämaterial har för låg maximal arbetstemperatur och kommer därför att smälta eller förkolnas vid kontakt med den smälta metallen. Hybridmaterial består av en eller flera av de övriga huvudklasserna för konstruktionsmaterial och kommer därför inte behandlas i den här processen initialt. Det kan komma att diskuteras som en lösning att använda hybridmaterial där ett av materialen har huvudfunktionen isolering och det andra materialet har huvudfunktionen förbrukningsmaterial. Att undersöka denna kombination av material ryms inte inom arbetets tidsram. Längre fram kan detta dock vara ett alternativ för att åstadkomma en bättre isoleringsförmåga hos påfyllaren. Den enda huvudklass som bedöms som lämplig för vidare undersökning är keramer. Detta eftersom keramer uppfyller flera av de krav som hör till högtemperaturapplikationer. 45 Nils Gustafsson & Markus Olsson Med hjälp av en programvara som heter CES Edupack undersöks materialklassen keramer vidare. Detta genom att använda de begränsningar och målvärden som uppkom i föregående steg till att skapa diagram som kan urskilja vilka material som kan anses som lämpliga. Första utsållningen sker genom att ta bort alla material som inte klarar av en arbetstemperatur på 800 grader Celsius. Efter det ställs två av de mest grundläggande målvärdena mot varandra i ett diagram (pris och värmeledning) (se Figur 22). Från diagrammet bedöms fem olika materialgrupper som möjliga kandidater. Dessa är sand, (material x), gips, cement och betong. De första testerna som uppdragsgivaren genomförde visade emellertid att cement/betong inte var användbart för produkten. Detta eftersom materialet spricker av den plötsliga temperaturförändringen som sker vid mätningen. Men även att materialet är svårlösligt och gärna vidhäftar vid metallen vilken försvårar rensningen. Figur 22 - Pris-Värmeledning-diagram [35] 46 Nils Gustafsson & Markus Olsson 5.2.3 Rangordna bäst lämpade De material som framkom som lämpliga i föregående steg ställs här mot varandra i en poängsättningsmatris (se Tabell 4). Materialkandidaterna poängsätts efter hur bra eller dåligt den uppfyller de olika attributen. Detta för att sedan kunna rangordna dem och hitta den bäst lämpade kandidaten. Här nedan presenteras det som legat som grund till poängsättningen. Isolering Isolationsförmågan bedöms utifrån materialens värmeledningskoefficient som presenteras i Figur 22. Pris Prisuppgifterna är en grov uppskattning och baseras priset för råmaterial och tillverkning. Eftersom sand är ett vanligt förekommande material till liknande applikationer är priset väl konkurrenssatt. I och med att det finns överskott av (material x) i Sverige bedöms prisklassen ligga i nivå med sand. Gipset däremot bedöms som dyrt ur både materialinköp och tillverkningssynpunkt på grund av de långa torktiderna. Hållfasthet Arbetets experimentella tester har visat att (material x) har bättre hållfasthetsegenskaper än sand. Gips har inte undersökts experimentellt. Men i och med att gips används vid gipsgjutning så bedöms det ha bra hållfasthetsegenskaper. Miljö Grundat på de tidigare beskrivna miljöfördelarna med att använda återvunnet (material x) gör det till en stark kandidat ur miljösynpunkt. Även sanden bör kunna gå att använda som återvunnet material och ses därmed som likvärdig (material x). Gipset går som beskrivet i tidigare avsnitt att återvinna och återanvända och ses där med också som en stark kandidat. Rensning Under arbetets experimentella del har det undersökts hur stor arbetsinsats som krävs för att rensa metallen från sand eller (material x). Dessa experiment har visat på att arbetsinsatsen är i stor sett likvärdig för de båda materialen men inte optimal. Gips bedöms vara bra ur rensningssynpunkt eftersom materialet är lättlösligt i vatten. 47 Nils Gustafsson & Markus Olsson Arbetsmiljö (Material x) har tillskillnad från sand en oordnad struktur vilket medför att vid inandning av (material x)-partiklar kan kroppen bryta ner dessa. Som tidigare beskrivet i litteraturstudien bryts sand inte ner av kroppen på samma sätt som (material x). Därför bedöms (material x) som en starkare kandidat när det kommer till arbetsmiljö. Likt sanden är gips farligt att inandas och bedöms därför som än sämre kandidat ur arbetsmiljösynpunkt. Tabell 4 - Poängsättningsmatris material Attribut Material Isolering Pris Hållfasthet Miljö Rensning Arbetsmiljö Σ Sand 0 Material x +3 Gips +2 Sämre = -1 5.2.4 Medel = 0 Bättre = +1 Sök bekräftelse Både sand och gips har länge använts till liknande applikationer och då framförallt inom gjuteriindustrin och kan därmed ses som säkra alternativ att använda eftersom det finns en hel del erfarenhet att ta del av. Vad det gäller (material x) är det något mer osäkert eftersom det tidigare inte använts till liknande ändamål. Emellertid har arbetets experimentella del bevisat att det går att använda återvunnet (material x) till högtemperaturapplikationer samt att (material x) i vissa aspekter överträffar sandens egenskaper. Testerna har visat på att det går att använda det återvunna (Material x) i sin primära form till komponenter som inte kräver hög ytjämnhet. För komponenter där det ställs högre krav på ytjämnhet skulle (material x) kunna genomgå en siktningsprocess för att få en fraktion som är mer lik sandens. Som tidigare beskrivet i litteraturstudien finns det i dagsläget ett överskott av återvunnet (material x) i Sverige vilket ytterligare bekräftar det som ett lämpligt materialval. 48 Nils Gustafsson & Markus Olsson 5.3 Tillverkningsmetod Följande avsnitt förklarar hur genomförandet för att bestämma tillverkningsmetod till påfyllaren har skett. Valet av tillverkningsmetod har diskuterats löpande under arbetets gång. Eftersom uppdragsgivaren arbetade med formning av självstelnande massor som tillverkningsmetod till utvecklingen av utrustningens övriga delar fanns material och utrustning för detta att tillgå. Därför tillverkades de prototyper som använts i arbetets experimentella tester på samma sätt. Med kunskapen från testerna inleddes därefter en djupare teoretisk undersökning i form av litteraturstudie av liknande tillverkningsmetoder. I litteraturstudien presenteras därför de olika tillverkningsmetoder som lämpar sig till tillverkning av engångsformar. De tillverkningsmetoder som bedömts som lämpliga är: Formning av självstelnande massor Skalformning Råsandformning Alla tillverkningsmetoderna har sina styrkor och svagheter. Några av tillverkningsmetoderna är bundna till ett visst material. Detta gör att valet av tillverkningsmetod präglas av det materialval som sker i tidigare kapitel, vilket medför att vissa av tillverkningsmetoderna kan sållas bort direkt. Beroende på hur detaljrik designen är, lämpar sig vissa tillverkningsmetoder bättre än andra. Designen av påfyllaren har betydande roll vid valet av den bäst lämpade tillverkningsmetoden. Emellertid det attribut som är mest avgörande för det slutgiltiga valet av tillverkningsmetod är konkurrenskraftig tillverkning av stora serier. Detta eftersom flytbarhetsutrustningen är en engångsprodukt med en bedömd stor åtgång hos gjuterierna. Undersökningen av lämplig tillverkningsmetod baseras på det som presenteras i litteraturstudien och de erfarenheter de experimentella testerna gett. Vidare presenteras under resultat hela tillverkningsprocessen och de metoder som valts vid framtagandet av påfyllare. 49 Nils Gustafsson & Markus Olsson 6 Resultat och analys Följande kapitel presenterar resultatet för produktutveckling, materialval och tillverkningsmetod. Inledningsvis presenteras påfyllarens utformning följt av vilket material och vilken tillverkningsmetod som har valts som lämplig för användning och tillverkning. 6.1 Produktutveckling Detta avsnitt presenterar resultat och analyser för produktutvecklingsprocessen. 6.1.1 Slutgiltiga specifikationer Med tidigare steg i produktutvecklingsprocessen där de praktiska testerna är inkluderade undersöktes vilka dimensioner och vilket utförande som behövs för en fungerade komponent. Utifrån dessa tester har följande specifikationer tagits fram som grund för framtagandet av den slutgiltiga prototypen för påfyllaren. Sammanfogning mellan påfyllare och överdel Från vad som framkommit från Test 6.2 i Bilaga 6 där problem påträffades med att påfyllaren förflyttar sig och inte längre är centrerad med utloppet från påfyllaren till inloppet med spiralen så har det fastställts att påfyllaren måste sitta fast med överdelen. Vidare ska sammanfogningsytan hållas så minimal som möjligt för minskad värmeöverföring till överdel samtidigt som det inte får bli ostabilt. Påfyllaren ska sitta fast i överdelen för att vara centrerad vid mätning samt minimal kontaktyta till överdel ska erhållas. Innerarea Under samma test som hänvisas ovan upptäcktes även att en mindre bottenarea vid utloppet medförde att metallen svalnar fortare i botten än vid toppen. Detta gjorde i sin tur att den stelnade för snabbt och stoppern fastnade på grund av att metallen runt om den hade stelnat. Eftersträva minsta möjliga förhållande i snittarea mellan topp och botten. 50 Nils Gustafsson & Markus Olsson Volym Bilaga 4 visar på att det hydrostatiska trycket påverkar även i praktiken. Då arbetet har satt upp analyseringen av mätresultaten som en avgränsning så kommer ingen vidare utredning för detta att göras utan enbart konstateras att det är en parameter som kommer påverka mätresultatet. Vidare är det något som måste tas i hänsyn vid designen av påfyllaren för att uppnå det optimala trycket vid mätning. För att underlätta modifiering av påfyllaren till önskad höjd i ett senare skede kommer arbetets slutprototyp designas som ett mellanting, det vill säga att den kommer inte utformas som något av de extremfallen som använts under testerna. Påfyllarens höjd kommer att vara 100 mm. Spiralen som påfyllaren anpassats till har en innerkanal med volymen 40 𝑐𝑚3 . Volymen metall som påfyllaren ska innesluta är beroende av spiralens volym men också på vilket tryck man önskar ha från påfyllaren ner till spiralen. Då detta också är en fråga om vilket tryck som är mest gynnsamt vid mätresultaten kommer påfyllaren därmed tillverkas med tanke på kanalens volym då den inte får vara mindre. Det som efterfrågas är ett så konstant tryck som möjligt från påfyllaren under hela mätningen. För att ta hänsyn till detta designas påfyllaren med en volym som är större än spiralens volym. Påfyllaren ska innesluta en volym på minst 40 𝑐𝑚3 . Godstjocklek Stor vikt har lagts för att hitta en optimal godstjocklek ur både ett avsvalningsperspektiv men även ur hållfasthetssynpunkt. Från Bilaga 2 kan ses att skillnaderna är relativt stora mellan en godsskillnad på 12 mm, 1,3 grader per sekund skiljer prototyperna i mellan. Utifrån testerna och de observationer som gjorts har en lämplig godstjocklek tagits fram som grundas på de avsvalningstester som gjorts. Påfyllaren ska ha en godstjocklek på 10 mm. 51 Nils Gustafsson & Markus Olsson Design Den erfarenheten från de utförda testerna ger att den koniska formen är mer fördelaktig eftersom den släpper bra från metallen och underlättar vid särskiljningen av sand och metall. För att minska materialåtgången kommer påfyllaren vara cylindrisk, det har även visats sig vara bättre ur tillverkningssynpunkt då den släpper lättare. Påfyllaren ska ha en lätt konisk form och vara cylindriskt formad med runda kanter för lättare tillverkning. För att förhindra att det följer med slagg ner i mätspiralen kommer en upphöjning finnas vid inloppet till påfyllaren. För att minska risken för spill och ge en naturlig avlastningspunkt tillverkas påfyllaren med en urgröpning i överkant (se avsnitt 5.1.3). Påfyllarens botten ska bestå av en upphöjning vid inloppet samt ska ha en urgröpning i överkant. 52 Nils Gustafsson & Markus Olsson 6.1.2 Slutgiltigt konceptförslag Från de erfarenheter och tester som har genomförts har ett slutgiltigt utförande av påfyllaren tagits fram (se Figur 23). Påfyllaren ska uppfylla de slutgiltiga specifikationer som sattes upp för att få en optimal design. Dessa var bestämda utifrån de problem som har uppstått under arbetets gång genom praktiska tester. Påfyllaren är cylindriskt formad med en lätt konisk form vilket har visat sig under testerna att vara den form som var bäst lämpad vad gäller rensning, tillverkning och hållfasthet. En cylindriskt formad påfyllare kräver också tillskillnad från en fyrkantig form mindre materialåtgång vilket är till fördel för både miljö och tillverkningskostnad. Toppen av påfyllaren har utformats med ett urtag som ska fungera som ett naturligt stöd samt minimera risken för att metallen skvalpar ut i bakkant vid påfyllning. För att stelningsförloppet inte ska skilja för mycket i påfyllaren och för att undvika att metallen stelnar för tidigt vid utloppet har påfyllaren designats med en mindre vinkel i förhållande till centrumlinjen. Detta för att åstadkomma en jämnare snittarea sett över hela påfyllaren. För att undvika att slagg följer med ner i spiralen vid mätning så har påfyllaren utformats med en upphöjning vid inloppet (se Figur 24). Dimensionerna för påfyllaren är bestämda utifrån de tester som gjorts. Godstjockleken är satt till 10 mm då detta har visat sig vara en optimal kombination ur hållfasthet- och avsvalningssynpunkt. Vidare har höjden och volymen satts till 100 mm respektive 90 𝑐𝑚3 baserat på tidigare tester(se Figur 25). Detta är mått som inte är helt bekräftade genom praktiska tester. Vilket gör att de kan komma att ändras för att hitta de mest optimala förhållanden när mer noggranna testmätningar ska göras med hela flytbarhetsutrustningen. Påfyllaren har utformats med avrundade invändiga kanter eftersom de experimentella testerna visat på att skarpa hörn försvårar tillverkning och rensning. Vidare har påfyllaren designats med en platt botten för att stå stabilt på överdelen. 53 Nils Gustafsson & Markus Olsson Figur 23 - Slutgiltigt koncept påfyllare Figur 24 - Snittvy Figur 25 - Yttermått påfyllare 54 Nils Gustafsson & Markus Olsson 6.2 Materialval Detta avsnitt kommer att presentera det material som valts för påfyllaren samt analysera vilka för- och nackdelar detta materialval innebär. 6.2.1 Experimentella resultat för (material x) De genomförda testerna för (material x) som finns beskrivna i Bilaga 3 visar på följande resultat och slutsatser: Härdningen av (material x) visade sig fungera på samma sätt som med sanden. Detta var en grundegenskap för att vidare tester med (material x) skulle genomföras. (Material x) går att härda med vattenglas och ester. Ur hållfasthetssynpunkt märktes inga större skillnader i förhållande till de tester som gjordes med sanden. (Material x) visade dock inte på några sprickbildningar under tester så som sanden gjorde vilket är väldigt positivt. Inga sprickbildningar, påfyllaren tillverkad av (material x) visar i nuläget något bättre hållfasthet än en som är tillverkad i sand. Från de mätningar som gjordes så uppmättes en skillnad i avsvalningshastighet där (material x) gav en långsammare metallavsvalning jämfört med sanden. Mätningarna visade en förbättring på ungefär 10 % i avsvalningshastighet när (material x) användes istället för sand. En påfyllare av (material x) ger en lägre avsvalningshastighet än en av sand. 55 Nils Gustafsson & Markus Olsson 6.2.2 Slutgiltigt materialvalsförslag Den materialvalsprocess och de tester som har genomförts har lett till att det råmaterial som föreslås användas till påfyllaren är återvunnet (material x). Arbetet och de tester som gjorts visar på fördelar som talar för återvunnet (material x) som råmaterial. De mest betydelsefulla fördelarna som bör poängteras extra utöver värmeledningsförmågan är följande: Miljöfördelar En bekräftande aspekt för (material x) är alla miljöfördelarna som det har. Att kunna använda material som finns i överflöd istället för att bryta nytt ur jorden är av stor vikt vid tillverkning av engångsprodukter. Det stora överskottet av (material x) i Sverige gör som tidigare nämnt att det transporteras till andra länder vilket leder till att återvinningsföretagen ständigt letar efter nya användningsområden. Miljöaspekterna är den största fördelen med att använda återvunnet (material x). Transportfördelar Eftersom det återvunna (material x) finns tillgängligt i närregionen kan transportsträckorna hållas korta och en konkurrenskraftig tillverkning erhållas. Arbetets genomförda tester har även visat på att (material x) blir hårdare och mer hållfast med tiden. Detta är av stor vikt eftersom komponenten måste klara av de vibrationer och stötar som uppstår vid transport. Säkerhetsfördelar I och med (material x) oordnade struktur kan kroppen ta upp det och på så sätt blir produkten säker ur arbetsmiljösynpunkt. Utöver fördelarna som finns med att använda återvunnet (material x) finns också vissa nackdelar. Exempel på detta är problematiken med att använda ett material som tidigare inte har använts inom liknande användningsområden. Där gjuteribranschen har en lång tradition av användandet av vissa formmaterial och kan därmed känna viss osäkerhet för nya materialförslag. Detta kan i förlängningen medföra merarbete för att sälja in produkten på marknaden. 56 Nils Gustafsson & Markus Olsson 6.3 Val av tillverkningsmetod Följande avsnitt förklarar och ger lämpligt tillverkningsförslag till påfyllaren. För att få en överblick med vilka olika steg som innefattas är tillverkningsprocessen sammanfattad i Figur 26. Då bindemedel och härdare är beroende på vilken tillverkningsmetod som används tas även dessa med i detta avsnitt. 6.3.1 Råmaterial Som råmaterial till produkten kommer det att användas återvunnet (material x). För att uppnå önskad materialprestanda behöver materialet genomgå en primärformningsprocess. 6.3.2 Primärformning Primärformningen består av två övergripande processteg: Krossning Siktning Krossning Vid återvinning av (material x) krossas materialet till en fraktion på 0-3 mm i kornstorlek. Siktning För att uppnå en jämnare fraktion och bli av med dammet och de större kornen som finns i (material x) kommer en siktningsprocess att ske då denna parameter är av stor vikt för spiralens mätningar. Denna process kan ske både internt eller externt beroende på hur stora tillverkningsvolymer det blir. Råmaterial Krossning Siktning Skalformning Figur 26 - Tillverkningsprocessen 57 Nils Gustafsson & Markus Olsson Efterbearbetning Färdig detalj 6.3.3 Sekundära processer De sekundära processer som erfordras innefattar alla processtegen som (material x) behöver genomför innan det blir en färdig påfyllare. Detta medför den formning till slutgiltig form samt de efterbearbetningar som krävs. Formning Påfyllaren kommer tillverkas genom skalformning då dess design är väl anpassat för denna tillverkningsmetod. Godstjockleken på 10 mm är också en bidragande orsak till varför skalformning kommer att används. Vid skalformning kan även urgröpningen och utloppet tillverkas under samma process som formningen genom att använda ett formverktyg som är tillverkat enligt Figur 27. Detta minskar antalet tillverknings- och efterbearbetningssteg vilket i förlängningen även innebär en minskad tillverkningskostnad. Genom att använda skalformning som tillverkningsmetod kan också en hög produktionstakt uppnås där ungefär 500 detaljer per år krävs för att uppnå en lönsam tillverkning. Skalformningen medför även andra fördelar som t.ex. möjligheten att ha flera kärnor i samma form och på så sätt möjliggörs tillverkning av flera komponenter under samma process (se Figur 28). Figur 27 - Formverktyg slutgiltig påfyllare 58 Nils Gustafsson & Markus Olsson Bindning Som följd av att skalformning kommer användas som tillverkningsmetod så kommer bindemedlet som ska binda ihop (material x) att vara harts. Skalsand levereras idag i stor utsträckning färdigblandad till gjuterierna. (Material x) behöver innan processen blandas med hartset så att det hartsklädda (material x) kan härda till det uppvärmda formverktyget. Då (material x) inte används till denna tillverkningsmetod på dagens gjuterier kan denna blandning behövas göras internt av uppdragsgivaren. Härdning För att komponenten ska kunna härdas behöver en härdare tillsättas som är lämplig för skalformning med (material x). Efterbearbetning För att erhålla slutgiltiga formen till påfyllaren behövs diverse efterbearbetning genomföras. Då skalformning används kommer överskottsmaterial att bildas mellan påfyllarna (se Figur 28). Detta är material som måste avlägsnas. Sammanfogningen av påfyllare och underdel kommer att göras med hjälp av lim, lim används vid skalformning idag och är redan beprövat och kommer därmed att användas. Vidare behövs botten av påfyllaren planas för att erhålla en lämplig sammafogningsyta för limning. Figur 28 – Form med flera kärnor med överskottsmaterial mellan påfyllare 59 Nils Gustafsson & Markus Olsson 7 Diskussion och slutsatser Följande kapitel diskuterar arbetets olika faser. Detta följs upp av de slutsatserna som kan dras ifrån arbetets resultat och slutligen ges rekommendationer till fortsatt arbete. 7.1 Diskussion I följande avsnitt kommer arbetets genomförande att diskuteras. För att förstå de problem som fanns med utrustningen lades mycket tid i arbetets början på att undersöka tidigare forskning, litteratur och teorier. Detta var ett viktigt steg att ta eftersom det som arbetet behandlar är en nyutveckling med många barriärer som måste brytas. En annan parameter som blev betydande för arbetet i och med att det är nyutveckling var att det fanns inte mycket forskning att ta del av som var direkt anpassad för arbetets syfte. Av den anledningen blev arbetets experimentella del väldigt värdefull. Om arbetet hade gjorts på nytt hade mer tid vid uppstarten lagts vid enklare experimentella tester för att på ett snabbare och effektivare sätt upptäcka de problem som skulle lösas under arbetets gång. Valet att sätta upp en strukturerad tidsplanering för examensarbetet har varit till stor hjälp för att hinna med arbetets alla delar innan deadline. Tidsplanen har följts under hela examensarbetet och har gjort det lättare att få en överskådlig blick över vad som skulle göras för att nå upp till de uppsatta målen. Under arbetets gång har däremot experimentell utrustning så som smältugnen gått sönder vilket är oförutsedda händelser som har skapat ett förhållande som gjort att tidsplaneringen har varit svår att följa vid vissa faser av arbetet. 60 Nils Gustafsson & Markus Olsson 7.1.1 Produktutveckling De teorier som följts vid produktutvecklingen, materialvalet och val av tillverkningsmetod har visat sig vara väl lämpade för detta arbete. Produktutvecklingsprocessen speciellt då stor del av arbetet har lagts på den experimentella delen vilket mycket av resultaten grundar sig på då arbetet är en nyutveckling. En viss problematik har funnits i att finna formverktyg som kunnat återskapa de koncept som tagits fram teoretiskt. Formverktygen som använts har varit begränsade av vad som finns att köpa på den kommersiella marknaden. Alternativa lösningar till framtagande av formverktyg till prototypframtagning har diskuterats under arbetets gång. Till exempel att tillverka formverktyg med hjälp av additiv tillverkning. Detta är något som hade kunnat ge större friheter till utvecklingsarbetet. De formverktygen som har använts har trots detta gett värdefull kunskap och erfarenheter om vad som behövs tänkas på vid utvecklingen av komponenter som ska klara av höga temperaturer. Något som verkligen har bekräftats under arbetets gång är att det är viktigt att göra så många tester som möjligt. Även om alla tester inte bekräftar den hypotesen som var uppsatt för testet så är ett misslyckat test också ett resultat. Många av de begränsningar som upptäckts under arbetets experimentella del har varit resultaten av misslyckade tester. Produktutvecklingen har lett till ett antal förbättringar som ska tas i åtanke vid den fortsatta utvecklingen av flytbarhetsutrustningen. Tidigare problem med att det uppkommer sprickor i materialet ledde till att en minskad personsäkerhet. Vid testerna som utförts under arbetets gång visade en godstjocklek på 8mm att en viss sprödhet uppkom. Denna sprödhet var fördelaktig vid rensningsarbetet efter utfört test. Som tidigare beskrivet i nulägesbeskrivningen hade uppdragsgivaren problem med att metallen svalnar för hastigt i påfyllaren. Detta har förbättrats genom att undersöka hur värmeförlusterna som uppkommer av värmeledning genom formmaterialet kan minimeras. Genom att testa olika godstjocklekar kunde det bekräftas att godstjockleken har en betydande roll för avsvalningen och en optimal godstjocklek kunde fastställas. 61 Nils Gustafsson & Markus Olsson En slutgiltig avgörande parameter för att bestämma minsta möjliga godstjocklek har varit hållfastheten. Oavsett om produkten har en optimerad tjocklek vad det gäller både värmeledning och temperaturspänning så är den mest avgörande parametern säkerheten för slutanvändare. Därför har det förts kvalitativa resonemang i experimenten om hållfastheten är tillgodosedd. Vilket har medfört att godstjockleken ökats till ett mått som bedöms lämpligt utifrån de tester som genomförts. Om avsvalningshastigheten är tillräckligt långsam eller inte är går inte att avgöra i nuläget då vidareutveckling av utrustningens övriga delar krävs för att kunna genomföra kompletta mätningar. Hittills genomförda förbättringar har syftat till att minska de värmeförluster som uppstår på grund av värmeledning genom materialet. Emellertid för att minska avsvalningshastigheten ytterligare bör även den värme som försvinner iväg ut i luften på grund av konvektion hindras. Detta genom att vidareutveckla koncept isolering för att uppnå en termosliknande funktion. 7.1.2 Materialval Processen med att ta fram råmaterial är något som kräver mycket tid när en komplett materialanalys ska undersökas djupare. Det finns många möjliga material som kunskapen inte är tillräcklig för att kunna dra slutsatser om de är lämpliga eller inte, arbetets materialval kan därmed inte garantera att bäst lämpade materialet har valts. Däremot har målet alltid varit att göra ett materialval som ska ha tillräckligt många fördelar för att kunna användas i praktiken som formmaterial. Materialvalet har grundats till största del på de tester och experiment som genomförts under arbetets gång. Användandet av (material x) har visat sig vara en bidragande faktor till de förbättringar som gjorts med avsvalningshastigheten. Ett annat betydelsefullt resultat är att de problem som uppstått vid tidigare tester med att det blev sprickbildningar av termochoken har kunnat uteslutas helt genom att använda (material x) som formmaterial. Vid införandet av ett nytt material inom en viss industri är det viktigt att det finns en stor mängd av materialet att tillgå till ett konkurrenskraftigt pris. Detta för att företagen ska kunna gå över till det alternativa materialet istället för det som redan används idag utan större risker. (Material x) har liknande ett prisförhållande som sanden och tillgången är som tidigare beskrivet god. 62 Nils Gustafsson & Markus Olsson Dessutom bedöms (material x) vara ett bättre alternativ än sanden ur miljö- och arbetsmiljöperspektiv. Av dessa anledningar bedöms (material x) ha stor möjlighet till att konkurrera med sand som formmaterial till engångsformar för gjuterier. 7.1.3 Tillverkning Teorin som följts för utförandet av tillverkningsmetod gav en bra helhetsbild för de olika tillverkningsprocesserna från råmaterial till färdig detalj. Ytterligare har det upptäckts att tillverkningen är något som måste finnas med i åtanke under hela produktutvecklingen då design, material och tillverkningsmetod behöver anpassas efter varandra för att uppnå en konkurrenskraftig produkt. Alla arbetets tre huvudämnen (produktutveckling, materialval och val av tillverkningsmetod) har strävat efter att utveckla en så miljöriktig produkt som möjligt. Att hushålla med jordens resurser är något som är oerhört viktigt med den snabba utvecklingstakt som äger rum i dagens samhälle. Av den anledningen har alla miljöfördelar som upptäckts under arbetets gång vägt tungt för både materialval och val av tillverkningsmetod. Möjligheten att kunna bidra till en hållbar utveckling genom att välja konkurrenskraftiga produktionsalternativ som går att genomföra i Sverige ses också som en betydelsefull fördel. Valet av att använda skalformning till (material x) är något som inte har hunnits med att testas rent praktiskt men sett från teori och expertis från handledare så ska metoden var tillämpbar. Detsamma gäller bindemedel och härdare där stor vikt har lagts vid att få ett slutgiltigt tillverkningsförslag som ska fungera vid större serietillverkning. Detta har gjort att det har varit svårt att relatera egna erfarenheter vid tillverkningen av påfyllaren då dessa metoder har varit mer lämpade för prototyper och tillverkning av mindre serier. 7.1.4 Patent Eftersom flytbarhetsutrustningen är en nyutveckling med många okända parametrar har arbetet letts in till tidigare oupptäckta lösningar. Av den anledningen bör det ses över vad av det som arbetet har lett till som kan vara patenterbart för att kunna skydda produkten mot konkurrenter. Det som bedöms vara patenterbart är användningen av återvunnet (material x) och funktionen av påfyllaren då det uppfyller de tre kriterier som beskrivs i litteraturstudien. 63 Nils Gustafsson & Markus Olsson 7.2 Slutsatser I följande avsnitt tydliggörs de slutsatser som dras från examensarbetets resultat. Ytterligare tas rekommendationer upp för fortsatt vidareutveckling. 7.2.1 Arbetet Målet med detta arbete var att leverera ett slutgiltigt koncept- material- och tillverkningsförslag för påfyllaren. Examenarbetet har lett till att ett konceptförslag har tagits fram som anses optimalt ur avsvalning och hållfasthet utifrån de tester som har hunnits med under arbetets tidsram. Vidare har ett materialval gjorts som dels grundar sig på de tester som utförts men också en teoretisk materialvalsprocess. Som ett sista genomförande gjordes en teoretisk tillverkningsundersökning och lämplig metod valdes för produktionen av påfyllaren. Med detta sagt så är arbetets alla delmål uppnådda. Arbetet har utöver detta lett till en bättre förståelse för produktutvecklingen och de processer som sker för att utveckla en idé till prototyp. 7.2.2 Fortsatt arbete De tester som utförts har lagt en grund för uppdragsgivaren med sitt fortsatta utvecklingsarbete för att ta flytbarhetsutrustningen ut på den kommersiella marknaden. När fortsatt arbete ska genomföras av utrustningen rekommenderas följande saker att åtgärda: Sikta (material x) för att få en jämnare fraktion, analysera hur detta påverkar avsvalningen och bekräfta mätresultaten från avsvalningstestet med (material x). Tillverka en prototyp av det slutgiltiga konceptet för vidare testning. Automatisera flytbarhetsutrustningen för att minimera mänskliga faktorer som kan påverka mätresultatet. En undersökning hur man kan använda hybridmaterial för att få än bättre isolerande förmåga hos påfyllaren. Testning av en prototyp som efterliknar koncept isolering för att kunna bedöma om detta ger bättre isolerande egenskaper åt påfyllaren. En djupare patentundersökning för att se vad som kan vara patenterbart för påfyllaren och det som arbetet har lett fram till. 64 Nils Gustafsson & Markus Olsson 8 Referenser [1] ”Miljömål.se,” [Online]. Available: http://www.miljomal.se/Miljomalen/Allaindikatorer/Indikatorsida/?iid=77&pl=1. [Använd 31 01 2015, kl. 12:40]. [2] ”Swerea Lättvikt,” [Online]. Available: http://www.swerea.se/sv/Fokusomraden/Lattvikt/. [Använd 03 02 2015, kl. 11:40]. [3] ”Utveckling av Lätta Tunnväggiga Gjutna Högpresterande Komponenter,” [Online]. Available: http://www.vinnova.se/sv/Resultat/Projekt/Effekta/201400597/Utveckling-av-latta-tunnvaggiga-gjutna-hogpresterandekomponenter---ThinC/. [Använd 02 02 2015, kl. 14:30]. [4] M. Di Sabatino, ”Fluidity of Aluminium Foundry Alloys,” NTNU, Trondheim, Norway, 2005. [5] B. A. Dewhirst, ”Castability Control in Metal Casting via Fluidity Measures: Application of Error Analysis to Variations in Fluidity Testing,” WORCESTER POLYTECHNIC INSTITUTE, 2008. [6] M. Di Sabatino och L. Arnberg, ”Castability of aluminium alloys,” Transactions of The Indian Institute of Metals, vol. 62, nr 4-5, pp. 321325, 2009. [7] T. Liljenfors, Interviewee, Founder of Bryne AB. [Intervju]. 2015. [8] M. Holmgren, Interviewee, Development Engineer, Bryne AB. [Intervju]. 2015. [9] M. Di Sabatino, S. Akhtar och L. Arnberg, ”State-of-the-art characterization tools for Al foundry alloys,” NTNU, Trondheim: Norway, 2012. [10] G. Wallén, Vetenskapsteori och forskningsmetodik, 2. uppl red., Lund: Studentlitteratur, 1996. [11] R. Patel och B. Davidson, Forskningsmetodikens grunder: att planera, genomföra och rapportera en undersökning, Lund: Studentlitteratur, 2011. [12] L. T. Eriksson och F. Wiedersheim-Paul, Att utreda, forska och rapportera, 10. Uppl red., Stockholm: Liber, 2014. 65 Nils Gustafsson & Markus Olsson [13] I. M. Holme och B. K. Solvang, Forskningsmetodik: Om Kvalitativa och kvantitativa metoder, Lund: Studentlitteratur, 1997. [14] P. Blomkvist och A. Hallin, Metod för teknologer: Examensarbete enligt 4-fasmodellen, Lund: Studentlitteratur, 2014. [15] K. Williamson, Research methods for students, academics and professionals: information management and systems, Wagga Wagga: Centre for Information Studies, 2002. [16] K. T. Ulrich och S. D. Eppinger, Produktutveckling: Konstruktion och design, Lund: Studentlitteratur, 2014. [17] M. F. Ashby, Materials selection in mechanical design, Amsterdam: Elsevier Butterworth-Heinemann, 2005. [18] M. Ashby, H. Shercliff och D. Cebon, Materials: engineering, science, processing and design, 3:e red., Oxford: Butterworth-Heinemann, 2014. [19] H. Alvarez, Energiteknik. D. 1, 3:e red., Lund: Studentlitteratur, 2006. [20] R. C. Juvinall och K. M. Marshek, Fundamentals of Machine Component Design, 5th red., Hoboken, N.J.: John Wiley & sons, 2011. [21] I. Rask och S. Sunnersjö, Konceptkonstruktion: Val av Material och Tillverkningsmetoder, Mölndal: Institutet för Verkstadsteknisk forskning (IVF), 1998. [22] S. Häggström, Hydraulik för V-teknologer, 3 red., Göteborg: Chalmers Tekniska Högskola, 1999. [23] I. Svensson och I. Svensson, Karlebo: Gjuteriteknisk Handbok, Husqvarna: Sverige: Gjuteriinformation i Jönköping AB, 2004. [24] ”Gjuterihandboken,” [Online]. Available: http://www.gjuterihandboken.se/media/8876/5-1Expansionskurvor_747x420.jpg. [Använd 04 02 2015, kl 09:41]. [25] ”Gjuterihandboken,” [Online]. Available: http://www.gjuterihandboken.se/hem. [Använd 2015]. [26] G. M. Davis, ”plaster (gypsum),” Ceramics Monthly, April 2012. [27] E. Bonde-Wiiburg, Karlebo Handbok. Utg. 15, Stockholm: Liber AB, 2000. [28] I. Dugic, Skribent, Tillverkningsmetoder: Gjuteriteknik. [Performance]. Linnéuniversitetet, 2014. [29] ”Gjutning.n.nu,” [Online]. Available: http://www.gjutning.n.nu/sandgjutning. [Använd 02 02 2015, kl. 09:32]. 66 Nils Gustafsson & Markus Olsson [30] ”NPTEL,” [Online]. Available: http://nptel.ac.in/courses/112107144/metalcasting/image/fig9a.jpg. [Använd 06 05 2015, kl 11:11]. [31] ”Gjuterihandboken,” [Online]. Available: http://www.gjuterihandboken.se/media/21149/4-16-komp-press.jpg. [Använd 26 04 2015, kl 11:03]. [32] ”Gjuterihandboken,” [Online]. Available: http://www.gjuterihandboken.se/media/21151/4-17-V-flerstaempel.jpg. [Använd 26 04 2015, kl 11:15]. [33] G. Polya, Problemlösning En handbok i rationellt tänkande av G. Polya, Lund: Berlingska Boktryckeriet, 1970. [34] ”KonstruktörsLotsen,” 20 04 2015, kl 10:31. [Online]. Available: http://lotsen.ivf.se/KonsLotsen/Bok/Kap2/Materialkategorier/Kap2Konst rMat.gif. [35] ”CES Edupack,” Granta Design Limited, 2014. 67 Nils Gustafsson & Markus Olsson 9 Bilagor Bilaga Bilaga 1 – Gantt-schema Bilaga 2 – Godstjocklek Bilaga 3 – Materialjämförelse, (material x) och sand Bilaga 4 – Hydrostatiskt tryck Bilaga 5 – Tillverkning Bilaga 6 – Design 68 Nils Gustafsson & Markus Olsson Antal sidor 1 8 6 3 1 2 Bilaga 1 – Gantt-schema 1 Nils Gustafsson & Markus Olsson Bilaga 2 - Godstjocklek I följande bilaga beskrivs arbetsgången för experimentet som ska undersöka erforderlig godstjocklek på påfyllaren. Inledningsvis beskrivs de förberedande experimentella arbete (Test 2.1 och 2.2) som krävdes för att genomföra experimentet. Slutligen presenteras det slutgiltiga testet för bestämning av godstjocklek. Test 2.1 – Sandformar första tester Syfte Hur kan experimentell utrustning utformas för att ge en påfyllare med konstant godstjocklek? Går det att åstadkomma en repeterbar tillverkning och få samma dimensioner varje gång? Hur fungerar plast som formmaterial? Genomförande För att få så reproducerbara påfyllare som möjligt till testerna utvecklades testriggar gjorda av koner, gängstång, muttrar och en bottenplatta (se Figur 29). Muttrarna användes till att ställa in höjden mellan konerna. I och med den koniska utformningen gick det att med samma rigg åstadkomma olika godstjocklek för påfyllare. När testriggen var inställd på rätt höjd fylldes den undre konan med Baskarpssand som var utblandad med bindemedlet vattenglas och härdaren ester. Den övre konan agerar kärna till den negativa yta av påfyllaren som senare ska innesluta metallen. Efter packning fick sanden härdas i riggen i 1-2 timmar. Figur 29 - Testrigg för tillverkning av påfyllare 1 Nils Gustafsson & Markus Olsson Resultat och analys Härdning sker men var inte tillräcklig för att få en godtagbar hållfasthet, påfyllaren gick sönder då den hade härdat på ytan men var fortfarande mjuka inuti. Vidare efter att påfyllaren var urtagen och stått framme ett antal timmar hade den uppnått önskad härdning. Resultaten visade att testriggen inte är optimal då konerna inte är fullt centrerade, detta gör att en varierande godstjocklek bildas hos påfyllaren (se Figur 30 &Figur 31). I botten av formriggen erhålls en större godstjocklek än sidoväggarna. Sanden släpper väldigt bra från plasten. Slutsats och nya frågeställningar Plasten fungerar väldigt bra som formmaterial till sand. Öka mängden bindemedel och härdare för att få en mer tillfredställande härdningsprocess? Ska påfyllarna få stå och härda efter uttagandet ur testriggen innan tester sker för att uppnå önskad hållfasthet? Går det att använda en styrpinne centralt som håller konerna centrerade för att undvika en varierande godstjocklek? Kan oblandad sand i botten av testriggen användas för att få jämn godstjocklek på hela påfyllaren? Figur 30 - Påfyllare ovanifrån Figur 31 - Påfyllare underifrån 2 Nils Gustafsson & Markus Olsson Test 2.2 – Jämn godstjocklek Syfte Går det att tillverka olika tjocka påfyllare med hjälp av testriggen? Gör styrpinnen att konerna är centrerade och påfyllaren får en jämnare godstjocklek? Ger en ökad mängd vattenglas och härdare en mer tillfredställande härdningsprocess? Fungerar det att ha offersand i botten av testriggen för att få jämn godstjocklek även i botten? Behöver påfyllarna stå och lufthärda efter urtagning? Genomförande En styrpinne monterades på testriggen för att testa om detta gjorde så att konerna var centrerade under hela packningsförloppet. Vidare så ökades mängden vattenglas och härdare för att se om bättre härdningsresultat gick att uppnå. Botten av den undre konan fylldes med oblandad Baskarpsand upp till en nivå som ger en genomgående jämn godstjocklek. Testriggarna ställdes in så att två olika godstjocklekar skulle kunna tillverkas (8mm & 20mm). Resultat och analys Styrpinnen medförde att påfyllaren fick en mer genomgående jämn godstjocklek (se Figur 33 & Figur 34). Ingen ökad hållfasthet märktes av då mängden bindemedel och härdare ökades. Lufthärdningen blev bekräftad. Efter ett antal timmars härdning i luft uppnåddes en betydligt högre hållfasthet. Offersanden fungerade bra som uppbyggnad och som bonus rann den ut likt ett timglas när styrpinnen avlägsnades (se Figur 32), vilket medförde minskat efterarbete. Det gick att tillverka olika godstjocklekar med hjälp av testriggen. Mindre godstjocklek än 8 mm gick dock inte att få med den här testriggen eftersom det då inte går att packa sanden ordentligt. 3 Nils Gustafsson & Markus Olsson Slutsats och nya frågeställningar Påfyllarna måste lufthärdas efter formning för att uppnå en tillfredställande hållfasthet. Minsta respektive största möjliga godstjocklek med nuvarande testrigg är 8mm resp. 20mm. Vilken godstjocklek är mest optimal vad gäller hållfasthet och temperaturavsvalning? Figur 32 - Offersand i botten Figur 33 - Ojämn godstjocklek Figur 34 - Jämn godstjocklek 4 Nils Gustafsson & Markus Olsson Test 2.3 – Godstjocklek Syfte Hur påverkar godstjockleken temperaturavsvalningen? Hitta optimal godstjocklek. Genomförande För att kunna få ett pålitligt och mätbart resultat bestämdes på förhand ett antal parametrar som skulle hållas fasta för experimentet. Dessa var: Samma godstjocklek på hela påfyllaren. o Har säkerställts genom test 2.1 och 2.2 Samma volym metall o Säkerställs genom användning av vägda drops (se Figur 36) Samma temperatur på den smälta metallen o Säkerställs med hjälp av Temperaturmätare, Testo 735-1 Påfyllare tillverkades i två olika utföranden, en tunnare och en med tjockare väggtjocklek (se Figur 35). Tre stycken av varje utförande tillverkades, detta så att ett medelvärde av temperaturavsvalningen gick att ta fram. För att kunna urskilja de olika påfyllarna döps varje påfyllare efter material, utförande och nummer. T.ex. Sandtunn1. Loggningen startade direkt när smältdegeln lyfts ut ur ugnen för att förvärma mätstickan och undvika missvisande mätvärden. Detta pågick tills en del av påfyllaren var fylld. Därefter fördes mätstickan över till påfyllaren genom den rinnande smältan och där loggades avsvalningen tills metallen började stelna. Med hjälp av mätvärdena från testerna framtogs diagram och ekvationer med Excel för att kunna tydliggöra och beräkna ett kvantitativt resultat av mätningen. Slutligen jämfördes de två olika utförandena kvalitativt genom att undersöka hur materialet reagerat på värmen och om det uppstått sprickor samt hur lätt det var att rensa och separera metallen från formmaterial. Figur 35 - Olika godstjocklek Figur 36 - Aluminium drops 5 Nils Gustafsson & Markus Olsson Kvantitativt resultat och analys Mätningen resulterade i Diagram 1 & Diagram 2. Utifrån dessa har en regressionsanalys genomförts med hjälp av Microsoft Excel. Till varje graf har en linjär trendlinje skapats med tillhörande ekvation. Lutningen på trendlinjen motsvarar avsvalningshastigeten. Värdet på lutningen användes sen för att få medellutning för varje utförande. Temperaturintervallet som presenteras är mellan 750 till 600℃, detta temperaturintervall är som mest intressant då det är under denna temperatur mätningar av flytbarhet kommer att ske. y = -1,4104x + 722,67 R² = 0,8948 y = -1,3622x + 724,2295 R² = 0,9159 780 730 680 630 580 14:07:59.50 14:08:04.50 14:08:09.50 14:08:14.50 14:08:19.50 14:08:24.50 14:08:29.50 14:08:34.50 14:08:39.50 14:08:44.50 14:08:49.50 °C 780 730 680 630 580 Sandtjock1 14:15:29.50 14:15:34.00 14:15:38.50 14:15:43.00 14:15:47.50 14:15:52.00 14:15:56.50 14:16:01.00 14:16:05.50 14:16:10.00 14:16:14.50 °C Sandtunn1 y = -1,5527x + 724,14 R² = 0,9017 y = -1,7099x + 724,65 R² = 0,921 780 730 680 630 580 09:50:12.50 09:50:16.50 09:50:20.50 09:50:24.50 09:50:28.50 09:50:32.50 09:50:36.50 09:50:40.50 09:50:44.50 09:50:48.50 09:50:52.50 °C 780 730 680 630 580 Sandtjock2 07:43:56.50 07:44:01.00 07:44:05.50 07:44:10.00 07:44:14.50 07:44:19.00 07:44:23.50 07:44:28.00 07:44:32.50 07:44:37.00 °C Sandtunn2 Sandtjock3 Diagram 1 – Sandtunn 1-3 780 730 680 630 580 y = -1,8774x + 724,64 R² = 0,9294 09:59:04.00 09:59:07.50 09:59:11.00 09:59:14.50 09:59:18.00 09:59:21.50 09:59:25.00 09:59:28.50 09:59:32.00 09:59:35.50 09:59:39.00 y = -1,1244x + 724,14 R² = 0,9615 °C 780 730 680 630 580 09:00:10.00 09:00:15.50 09:00:21.00 09:00:26.50 09:00:32.00 09:00:37.50 09:00:43.00 09:00:48.50 09:00:54.00 09:00:59.50 09:01:05.00 °C Sandtunn3 Diagram 2 – Sandtjock 1-3 6 Nils Gustafsson & Markus Olsson Eftersom avsvalningskoefficienten hos Sandtunn3 och Sandtjock1 skiljer sig så mycket från övriga genomfördes två yttligare mätningar (se Diagram 3 & Diagram 4) för att få ett se om ett jämnare resultat kunde erhållas. Diagram 3 - Sandtunn 4 y = -1,6796x + 725,24 R² = 0,9259 780 730 680 630 580 12:58:26.50 12:58:30.50 12:58:34.50 12:58:38.50 12:58:42.50 12:58:46.50 12:58:50.50 12:58:54.50 12:58:58.50 12:59:02.50 12:59:06.50 °C 780 730 680 630 580 Sandtjock4 y = -1,0029x + 725,12 R² = 0,9601 13:07:11.00 13:07:17.50 13:07:24.00 13:07:30.50 13:07:37.00 13:07:43.50 13:07:50.00 13:07:56.50 13:08:03.00 13:08:09.50 13:08:16.00 °C Sandtunn 4 Diagram 4 - Sandtjock 4 Diagram 4 för Sandtjock4 bedöms bekräfta avsvalningskoefficienten för sandtjock. Lutningen på trendlinjen i Sandtunn4 tyder på mer samhöre med Sandtunn3 än Sandtunn1&2. Detta kan bero på osäkerhet vid mättillfället för Sandtunn 1&2 eftersom det var de första mätningarna som genomfördes för det här experimentet. Efterhand arbetades en mer repeterbar mätprocess in och därav bedöms de två senaste mätningarna för sandtunn som mest trovärdiga. Därför räknas medelvärdet på lutningen ut ifrån Sandtunn 3&4. Från avsvalningskoefficienterna för varje mätning har ett medelvärde för respektive utförande av påfyllare räknats ut. Från de medelvärdena har temperatursänkningshastigheten per sekund räknats ut. Resultatet av dessa uträkningar presenteras i Tabell 5. Tabell 5 - Medellutning och avsvalningshastighet Medelvärde lutning Temperatursänkning/sekund Sandtunn – 1,077 2,2 Sandtjock – 1,756 3,5 Från tabellen kan det utläsas att både medellutningen på trendlinje och avsvalningshastighet för den tunnare påfyllaren svalnar saktare än den tjocka. 7 Nils Gustafsson & Markus Olsson Kvalitativt resultat och analys De tunna påfyllarna får små sprickor av termochocken men de håller ihop utan problem. Det blev även små sprickor vid kanten av värmepåverkadezonen (se Figur 37). Sanden blir spröd enda ut till yttersta ytan på de tunna påfyllarna. Medan de tjocka inte påverkas enda ut. På de tunna kan också ses att de sväller upp och tappar lite av den koniska formen, detta sker på grund av att gaser från bindemedlet drivs ut. Tjockleken på de tunna påfyllarna (8mm) ger ett fullgott resultat. Eftersom resterande sanden på de tjocka ändå inte blir påverkad så ger den extra sanden bara en ökad värmeledning och försämrad isolering. Därför kan resterande tjocklek ses som överflödig. Rensningen var lätt med runda koniska former. Den faller isär lätt med ett slag med hammare på metallen och bitarna faller isär på ett bra sätt (se Figur 38). Knappt någon efterrensning krävs. Den lilla efterrensningen som krävs var på grund av dålig packning i botten av konen. Slutsats och nya frågeställningar Kan en förvärmning av påfyllaren driva ut gaserna och på så sätt minska uppsvällningen och sprödheten i materialet? En tunnare godstjocklek ger en långsammare avsvalning men också sprickor i material, därför kan en godstjocklek på 10 mm ses som en lämplig tjocklek att gå vidare med. Figur 37 - Sprickbildning Figur 38 - Rensning 8 Nils Gustafsson & Markus Olsson Bilaga 3 - Materialjämförelse, (material x) och sand I följande bilaga presenteras hur testerna har genomförts för att jämföra (material x) med sand. Inledande tester visar på om (material x) egenskaper är lämpliga för påfyllaren. Slutligen jämförs (material x) egenskaper med sanden. Test 3.1 – (Material x) med bindemedel Syfte Härdar (material x) med vattenglas och ester? Hur fungerar glas som formverktyg till påfyllare av (material x)? Genomförande Till följande tester har återvunnet (material x) använts som material, (material x) levereras krossat med en fraktion på 0-3 mm i kornstorlek. För att se om (material x) binder med vattenglaset och härdaren utfördes ett enklare test där (material x) blandades och packades på samma sätt som för sanden. Formverktyget i detta test var gjort av glas (se Figur 39). Efter packning fick (material x) härda i formen i 1-2 timmar. Resultat och analys Testet visade att (material x) härdar med vattenglas precis som sanden, inga direkta skillnader i härdningsprocessen märktes av under testet. Vidare upptäcktes när påfyllaren skulle tas ut ur formen att (material x) binder väldigt hårt till formverktyget av glas vilket gör det väldigt svårt att få ut påfyllaren från formen utan att den går sönder. Slutsats och nya frågeställningar (Material x) går att härda med vattenglas och ester Släpper (material x) lika bra som sanden från plast? Hur reagerar (material x) med smält metall? Figur 39 - Glasskålar som formverktyg 1 Nils Gustafsson & Markus Olsson Test 3.2 – (Material x) reaktion med smält metall Syfte Hur reagerar (material x) med smält metall? Genomförande Den härdade provbiten gjord av (material x) värmdes innan utförandet av testet upp för att driva ut eventuell fukt från biten. Vidare smältes aluminium och hälldes på provbiten för att se hur det reagerade. Resultat och analys (Material x) fick efter uppvärmningen en ljusare ton i färgen än tidigare (se Figur 40). Vätskan från vattenglaset drevs ut från provbiten när den kom i kontakt med smält aluminium (se Figur 41). Inga sprickor har bildats i materialet under detta test. Slutsats och nya frågeställningar (Material x) kan fortfarande ses som ett möjligt material att använda till högtemperaturapplikationer, vidare bör mer utförliga tester göras för att en mer grundlig utvärdering ska kunna göras. Figur 40 - T.v. utan uppvärmning, t.h. med Figur 41 – (Material x) avger vätska 2 Nils Gustafsson & Markus Olsson Test 3.3 – Avsvalning Syfte Hur funkar plast som formmaterial till (material x)? Isolerar (material x) bättre än sand? Vilken godstjocklek bör (material x) ha? Genomförande Tillverkning och mätning av temperaturavsvalning under detta test utfördes på samma sätt som i Bilaga 2, se test 2.3. (Material x) som används i testerna är inte siktat, detta innebär att det finns en stor variation i storlek på kornen. De större kornen medför att materialet blir sprött och att det inte blir lika kompakt packat (se Figur 42). Kvantitativt resultat och analys På följande sida redovisas de diagram från testerna som tagits fram för att kunna analysera skillnader mot sanden (se Diagram 5Diagram 6 ). Medellutningen på trendlinjen vid testerna med (material x) visar på en viss förbättring i förhållande till sandens tester ur ett avsvalningsperspektiv. Temperaturintervallet som presenteras är mellan 750 till 600℃, detta temperaturintervall är som mest intressant då det är under denna temperatur mätningar av flytbarhet kommer att ske. Figur 42 - (Material x) har en större variation i kornstorlek 3 Nils Gustafsson & Markus Olsson 780 730 680 630 580 Diagram 5 – (Material x)-tunn 1-3 11:20:22.50 11:20:27.00 11:20:31.50 11:20:36.00 11:20:40.50 11:20:45.00 11:20:49.50 11:20:54.00 11:20:58.50 11:21:03.00 11:21:07.50 11:56:12.50 11:56:18.00 11:56:23.50 11:56:29.00 11:56:34.50 11:56:40.00 11:56:45.50 11:56:51.00 11:56:56.50 11:57:02.00 11:57:07.50 °C °C y = -1,0198x + 711,12 R² = 0,8339 11:32:46.00 11:32:50.50 11:32:55.00 11:32:59.50 11:33:04.00 11:33:08.50 11:33:13.00 11:33:17.50 11:33:22.00 11:33:26.50 11:33:31.00 °C 780 730 680 630 580 °C 13:25:05.00 13:25:12.50 13:25:20.00 13:25:27.50 13:25:35.00 13:25:42.50 13:25:50.00 13:25:57.50 13:26:05.00 13:26:12.50 13:26:20.00 °C 780 730 680 630 580 11:44:06.00 11:44:10.00 11:44:14.00 11:44:18.00 11:44:22.00 11:44:26.00 11:44:30.00 11:44:34.00 11:44:38.00 11:44:42.00 12:23:42.00 12:23:48.50 12:23:55.00 12:24:01.50 12:24:08.00 12:24:14.50 12:24:21.00 12:24:27.50 12:24:34.00 12:24:40.50 12:24:47.00 °C (Material x)-tunn 1 (Material x)-tjock 1 (Material x)-tunn 2 y = -0,7965x + 705,5 R² = 0,8368 (Material x)-tunn 3 y = -0,9575x + 722,29 R² = 0,9474 780 730 680 630 580 y = -1,5171x + 715,83 R² = 0,8813 (Material x)-tjock 2 780 730 680 630 580 y = -1,5015x + 722,6 R² = 0,9481 (Material x)-tjock 3 780 730 680 630 580 y = -1,7313x + 723,92 R² = 0,9112 Diagram 6 – (Material x)-tjock 1-3 4 Nils Gustafsson & Markus Olsson Ett medelvärde för lutningen från diagrammen och temperatursänkning per sekund har räknats fram och sammanfattats nedan (se Tabell 6). Tabell 6 - Resultat för (material x) (Material x)-tunn (Material x)- tjock Medelvärde lutning Temperatursänkning/sekund – 0,925 1,8 – 1,583 3,2 Mätningarna visar på att en påfyllare av (material x) har en långsammare avsvalning på metallen än en av sand (se Tabell 7). Tabell 7 - Resultat från sand Medelvärde lutning Temperatursänkning/sekund Sandtunn – 1,077 2,2 Sandtjock – 1,756 3,5 Vidare har den procentuella förbättringen räknats ut där sandtjock utgår som referens (se Tabell 8). Från tabellen kan ses att en påfyllare av (material x) med tunn godstjocklek har i förhållande till en av sand med tjock godstjocklek, en förbättring av avsvalningstiden med 47 %. Tabell 8 - Procentuell förbättring mot Sandtjock Procentuell förbättring i förhållande till Sandtjock. Sandtunn (Material x)-tunn (Material x)-tjock 38,7 47,3 9,8 Resultatet kan dock vara svårt att se som helt tillförlitligt då denna skillnad kan bero på att (material x) har större kornstorlek än sanden. Detta är något som är lämpligt att bekräfta genom vidare tester med siktat (material x). 5 Nils Gustafsson & Markus Olsson Kvalitativt resultat och analys Påfyllaren är inte genomhärdad, samma problem som uppstod vid härdningen av sand. Den är mjuk inuti och har ett hårt yttre skal. Genom att låta påfyllarna lufthärdas under någon timme var de likt sanden fullt härdade. Påfyllaren av (material x) släpper lätt från formverktygen (se Figur 43 & Figur 44). Funktionsmässigt visade testerna på att (material x) kan ses som en bra konkurrent till sanden då inga sprickor uppkom i materialet och det visade på liknande häftningsförmåga till metallen som sanden, det vill säga det var okomplicerat att separera metallen från (material x) när metallen hade stelnat. Slutsats och nya frågeställningar Sikta (material x) för att få en mindre variation i kornstorleken och för att kunna säkerställa att (material x) har en positiv inverkan för temperaturavsvalningen. Plast är lämpligt att använda som formverktyg även till påfyllare av (material x). (Material x) har liknande hållfasthet som sanden om än inte något bättre, därmed kan en godstjocklek på 10 mm ses som en lämplig tjocklek även för (material x). Figur 43 - Påfyllare av (material x) Figur 44 - Påfyllare ovanifrån 6 Nils Gustafsson & Markus Olsson Bilaga 4 - Hydrostatiskt tryck I följande bilaga beskrivs det test som utförts i syfte att bekräfta den teoretiska del som ligger till grund för denna fysikaliska egenskap. Teorins hypotes är att det hydrostatiska trycket skulle ändras i förhållande till höjden på behållaren. Test 4.1 – Tryckskillnad Syfte Finns det en märkbar skillnad i tryck vid olika utförande av påfyllare? Genomförande I detta test tillverkades påfyllare som skulle efterlikna koncepten Högsmal och Lågvid då dessa koncept har liknande utförande men olika nivåskillnader. Påfyllarna tillverkades med ett utlopp med samma diameter på 5 mm som täpptes igen med en stopper. Volymen metall och temperaturen på den smälta metallen som hälldes i vardera påfyllare var låsta till samma. Metallens massa uppmättes till 500 g innan smältning, aluminiumet har i stort sätt samma densitet vid alla tester och volymen kan därmed ses som konstant. Temperaturen på den smälta metallen inväntades till den var nere på 720 grader innan den hälldes över i påfyllaren. Stoppern avlägsnades när all metall var hälld i påfyllaren och tester gjordes om 2 stycken i varje utförande. Testet genomfördes genom att mäta tiden det tar för metallen att rinna ut från påfyllaren, där en långsammare tömning innebär ett mindre volymflöde och därmed lägre hydrostatiskt tryck. 1 Nils Gustafsson & Markus Olsson Resultat och analys På grund av den design som den lågvida testmodellen hade med en stor plan bottenarea stannade en del av metallen kvar i påfyllaren till skillnad från den högsmala där det som stannade kvar var marginellt. Denna mängd metall uppmättes till 65 g som motsvarar 13 % av de 500 g som hälldes i påfyllaren från början (se Ekvation 5). 65 500 ∗ 100 = 13 % Ekvation 5 Nedan visas de mätvärden som uppnåddes vid respektive mättillfälle (se Tabell 9). På grund av de svårigheter som fanns i att få en lämplig exakthet på mätvärdena då den personliga felfaktorn inte har kunnat uteslutas har resultaten redovisats med en felmarginal på ±1 𝑠. Medelvärdet visar på att en viss skillnad finns mellan den högsmala och den lågvida testmodellen. Tabell 9 – Testresultat hydrostatiskt tryck Test 1 2 ̅ 𝒙 Lågvid (s) 11-13 12-14 12,5 Högsmal (s) 6-8 8-10 8 För att korrigera de 13 % som stannar kvar i den lågvida påfyllaren räknades denna mängd ut vad det motsvarar i sekunder för tidsförloppet för metallen att rinna ut och tömma behållaren(se Ekvation 6 & Ekvation 7). 12,5 ∗ 13% ≈ 1,6 𝑠 100 Ekvation 6 12,5 + 1,6 = 14,1 Ekvation 7 → 𝑀𝑒𝑑𝑒𝑙𝑣ä𝑟𝑑𝑒 𝑓ö𝑟 𝑙å𝑔𝑣𝑖𝑑 = 14,1 𝑠 2 Nils Gustafsson & Markus Olsson Dessa 13 % motsvarar ungefär 1.6 s, detta har sammanräknats med resultateten från testerna och nedan presenteras de nya resultaten för den lågvida där den kvarvarande massan har adderats (se Tabell 10). Medelvärdet på den tid det tog för metallen att rinna ut från påfyllaren visar på att teorin som tagits upp går att applicera praktiskt i detta utförande och att detta är en viktig parameter vid resultatanalyseringen vid mätningar med spiralen längre fram. Tabell 10 - Testresultat efter korrigering av massförlust Test 1 2 ̅ 𝒙 Lågvid (s) 12,6-14,6 13,6-15,6 14,1 Högsmal (s) 6-8 8-10 8 En klar skillnad upptäcktes under dessa tester, stoppern hade en tendens att fastna i den högsmala påfyllaren, detta upptäcktes inte under testerna med den lågvida påfyllaren. Eftersom formverktygen som används till tillverkning av påfyllare begränsas av vad som finns att köpa på den kommersiella marknaden har inte koncepten kunnat efterliknas helt och hållet. Detta har lett till vissa geometriska skillnader från de teoretiskt framtagna koncepten. Dessa skillnader skulle kunna undvikas om formverktygen kunde tillverkas på ett enkelt sätt exempelvis genom additiv tillverkning. Slutsats och nya frågeställningar Testet bekräftade den teori som låg till grund för detta experiment att en högre påfyllare skulle skapa ett större hydrostatiskt tryck. Detta är något som vidare måste tas med som en viktig parameter när analys av mätresultaten ska göras framöver när utrustningen har kommit längre i produktutvecklingen. Varför har stoppern en tendens att fastna i utloppet i den högsmala men inte i den lågvida? Kan formverktyg som bättre efterliknar teoretiskt framtagna koncept tillverkas med hjälp av additiv tillverkning 3 Nils Gustafsson & Markus Olsson Bilaga 5 - Tillverkning I följande bilaga tas de test upp som är tillverkningsrelaterade med syfte att effektivisera produktionen. Test 5.1 – Vattenglas härdat med koldioxid Syfte Kan tillverkningsprocessen påskyndas när härdningen görs med koldioxid istället för ester? Påverkas hållfastheteten när koldioxid används som härdare? Genomförande Vid detta test blandades Baskarpsand med vattenglas på samma sätt som tidigare. Vidare packades det i formverktyget och koldioxid tillfördes. Koldioxiden sprutades in i sanden med hjälp av ett munstycke så gasen fick cirkulera genom hela sanden och på så sätt härda all sand. Tillförseln av koldioxid varierade varade i ungefär 30-60 s. Resultat och analys Härdning med koldioxid ger sanden en liknande hållfasthet som med ester där inga större skillnader märktes av. Härdningsprocessen kortades ner drastiskt jämfört med när härdaren bestod av ester. Tiden det tog för sanden att härda samman drogs ner från 4-5 h till enbart några minuter vilket är en stor fördel för att optimera produktionshastigheten till så hög som möjligt. Slutsats och nya frågeställningar Minskad härdningstid när härdning sker med koldioxid istället för ester. Vattenglas och härdning med ester kommer framöver att bytas ut och härdas med hjälp av koldioxid 1 Nils Gustafsson & Markus Olsson Bilaga 6 - Design I följande bilaga kommer att beskriva de tester som gjorts med mål att få fram tillräckligt med kunskap om hur påfyllaren ska formas på bästa lämpligaste sätt. Test 6.1 – Kantig design Syfte Finns det några fördelar/nackdelar med att ha en design som är kantig istället för en påfyllare som är rund? Genomförande För att bedöma om några direkta skillnader kunde ses i förhållande till den runda påfyllaren tillverkades en fyrkantig påfyllare. Påfyllaren hade en väggtjocklek på 10 mm vilket är detsamma som den runda. Tillverkningen skedde på samma sätt som i tidigare utförande där blandad baskarpsand packades för hand i ett formverktyg som bestod av materialet plast. I detta test hälldes smält aluminium i påfyllaren och lät stelna, detta för att rent funktionellt se om skillnader fanns i att ha en rund eller kantig påfyllare. Resultat och analys Efter utfört test hade sprickor uppkommit längs med sidorna av påfyllaren. Detta kan bero på att när påfyllaren värms upp och utvidgas så uppstår en böjspänning. Sidorna kommer då att börja svikta något utåt. Denna spänning kan ha blivit för stor och materialet har till slut gett vika. Sprickbildningarna kan också ha uppkommit från att det blir större expansionsspänningar på grund av den kantiga designen. Den kantiga formen hos påfyllare gör det svårare ur tillverkningssynpunkt då den kantiga formen ger bättre häftningsförmåga i hörnen till formverktyget. Tillverkandet av en påfyllare med fyrkantig design kräver mer materialåtgång per kubikmeter än en cylinderformad design. Slutsats och nya frågeställningar Då en cylinderformad påfyllare får utstå dragspänning istället för som i den kantiga designen böjspänning, så gör det den cylindriska formen till en starkare design ur hållfasthetssynpunkt än en fyrkantig påfyllare. Flytbarhetsutrustningen kommer efter utförda tester att ha en cylinderformad påfyllare. 1 Nils Gustafsson & Markus Olsson Test 6.2 – Första helhetstest Syfte Få en överblick över hur alla delar samverkar med varandra och se vilka problem som eventuellt kan uppstå. Genomförande Testet bestod av påfyllaren, en överdel, underdelen med spiralen och stoppern (se Figur 45). Utloppet från påfyllaren centrerades med inloppet på spiralen. Stoppern sattes på plats för att förhindra att metallen rann ner i spiralen innan testet utfördes. Vidare inväntades en förutbestämd hälltemperatur in och metallen hälldes därefter ner i påfyllaren och stoppern avlägsnades. Resultat och analys Stoppern blev fastkilad vid utloppet av påfyllaren, när mer kraft applicerades för att få bort den lyftes överdelen och de var inte längre centrerade till underdelen. Detta i sin tur ledde till att metallen stelnade runt om stoppern och den fastnade. En analys som framkom under detta test var att den koniska formen ger en mindre bottenarea som i förlängningen medför att stelningsförloppet går snabbare vid botten än vid toppen. Detta kan ses som en bekräftelse av de testerna som utfördes i Bilaga 4 - Hydrostatiskt tryckdär dessa problem också framkom. Slutsats och nya frågeställningar Alla komponenter måste sitta fast i varandra för att undvika läckage. Botten på påfyllaren kan inte vara för smal. Eftersom den är så smal stelnar metallen först nere i botten vilket gör att stoppern stelnar fast. Figur 45 – Flytbarhetsutrustning 2 Nils Gustafsson & Markus Olsson Fakulteten för teknik 391 82 Kalmar | 351 95 Växjö Tel 0772-28 80 00 [email protected] Lnu.se/fakulteten-for-teknik
© Copyright 2024