Verktygets delar ritas i Solidworks som olika solida parter för att sedan slutligen sättas samman i en sammanställning. Av delarna och sammanställningen skapas ritningar. På grund av verktygets oregelbundna och organiska former sätts endast huvudmått på ritningarna ut och resterande mått hänvisas till digitalt underlag. Samtliga ritningar finns i bilaga E där en sammanställningsritning med stycklista visar var olika komponenter sitter. Invärtes komponenter syns inte i listan.
Utöver skruvar och fjäder som erhålls ur befintliga verktygets CAD modell ritas alla delar. För att möjliggöra tillverkning genom formsprutning ritas handtaget i två delar, sett ur verktygets längdriktning. Släppvinklar sätts på ytor som är i behov av det. Tjockleken på samtliga väggar och förstärkningsribbor sätts till 2 mm. Förstärkningsribborna ritas ut på lämplig plats med avseende
på delens geometri för att stärka konstruktionen. Plats lämnas åt komponenter som ska huseras
inuti verktyget. Handtagsdelen speglas sedan och bearbetas för att möjliggöra ihopsättning med
skruvförband. Handtagets vänstra del visas från in och utsida i figur 22.
För att möjliggöra formsprutning av verktygets framdel ritas denna som över- och underdel. Släppvinklar läggs på, och förstärkningsribbor sätts ut även i denna delen. Ribborna används som infästning till stängerna, som blir fastsatta i verktygets främre del och rörliga inuti handtagsdelen. Framdelen visas i sin helhet samt i genomskärning i figur 23.
Mittenstången består av en kuggstång, yttre stängerna blir rundade och stabiliserar verktyget vid längdljustering. Stängerna ritas var för sig, den mittersta stången får ett spår fräst i dess bakre kortsida. I spåret läggs sedan ett stopp, som hindrar verktyget från att bli för långt och således motverka att stängerna faller ut ur handtagsdelen. I de runda stängernas främre del syns spåren som framdelens förstärkningsribbor låser fast med. Stängerna visas tillsammans i figur 24.
Bleckets snedställda hålbild möjliggör en noggran passform och tillåter blecket att låsa fast stången när det önskas. Blecket visas i genomskärning i öppet och låst läge, med 10 grader snedställning i figur 25.
Sammanställningen av delarna visas i sin helhet samt i sektionsvy i figur 26. I sektionsvyn syns det hur delarna inuti handtaget samspelar för att möjliggöra justering och fixering. I sektionsvyn illusterars verktyget i låst läge.
Figur 22: Verktygets vänstra handtagsdel sedd från in och utsida.
Figur 23: Verktygets framdel sett i sin helhet och dess nedre del sedd från dess insida.
Figur 25: Vänstra bilden visar blecket i öppet läge och högra bilden visar blecket i låst läge då det är snedställt med 10 grader.
]
Figur 26: Den övre bilden visar verktyget i sin helhet och den undre bilden visar sammanställningen i en sektionsvy.
7.9 Prototyp
Sammanställning och ena handtagshalvan från CAD modelleringen skrivs ut i en 3D skrivare i skala 1:1. Utskrifterna görs för att ge föreslaget koncept en verklighetsförankring och tillåta användare samt beställare känna på handtagsutformning och måttsättning. Utskrivet verktyg och handtagshalva visas i figur 27.
Figur 27: 3D skrivet verktyg och handtagshalva i skala 1:1.
7.10 Testning koncept
Delar av konstruktionen testas i en FEM-analys i Solidworks för att kontrollera huvudspänningar i konstruktionen med valt material. Beräkningarna i kapitel 7.5 är gjorda med avseende på kraften som beställaren under tester utsatt det befintliga verktyget för. För att kontrollera hur verktyget presterar med valt material testas fram- och bakdel som är i kontakt med skidbindningen med en kraft som totalt belastar konstruktionen med 2700 N på verktygets fram- och baksida i längsgående riktning. Kraftens riktning är normal mot ytan. De lila pilarna i kapitlets figurer visar pålagd last och de gröna pilarna visar var verktyget fixeras. Belastningen vid extremfallet antas vara en jämt utbredd last och visas i figur 28. Den bakre delen, främre överdel samt främre underdel testas var för sig. Analyserna utförs med solidelement då modellerna är ritade som solida kroppar vars geometri inte tillåter omvandling till skalelement utan merarbete. Då analyserna inte tar nämnvärt lång tid att utföra anses detta vara en snabbare lösning än att rita om modellerna i form av skalelement. Den bakre delen består av 30009 st, främre överdel 5109 st och främre underdel 4511 st. FEM-nätet som solidelementen utgör visas för
Figur 28: Extremfall med belastning om 2700 N. Lila pilar indikerar var lasten läggs på samt dess riktning.
Figur 29: FEM-nät på bakre handtagshalva och främre ovan samt underdel.
Verktygets bakre del, handtagsdelen fixeras på insidan, där metallblecket ligger an mot plasten och i dess symmetriplan så att test utförs på ena halvan. Fixeringen i analysen är inte helt realistisk
då den fixerar mot hela ytan och inte bara över en yta motsvarande bleckets storlek. Då syftet
med analysen endast är att få en indikation på om verktyget klarar av extremfallen anses detta vara en godtagbar fixering för testerna. Den pålagda lasten och var fixeringen sker visas i figur 30 och
symmetrilåsningarna visas i figur 31. Verktygets främre ovandel fixeras där stängernas infästning sitter. Utbredd last läggs på i längsgående riktning på utsidan. Infästning och lastfall för främre ovandel visas i figur 32. Verktygets främre underdel fixeras också där stängernas infästning sitter och last läggs även här på i längsgående riktning. Fixering och pålagd last för underdelen visas i figur 33. För att säkerhetställa att bleckets påverkan på plasten inuti handtaget inte överskrider materialets sträckgräns undersöks också lastfallet där 2700 N läggs på i längsgående riktning inuti handtaget och fixering sker i verktygets bakkant. Last och fixering visas i figur 34.
Figur 32: Främre överdel sedd från insidan. Gröna pilar visar fixering där stängernas infästning sitter och lila pilar visar pålagd last.
Figur 33: Främre underdel sedd från insidan. Gröna pilar visar fixering där stängernas infästning sitter och lila pilar visar pålagd last.
Figur 34: Sektionsvy sedd snett framifrån över handtagets bakre delen när last läggs på där blecket ansätter plasten på insidan. Lila pilar visar var lasten läggs på och gröna pilar visar var delen fixeras samt dess symmetrilåsning.
FEM-analysen av handtagsdelen visar att vald plast, PA typ 6, inte får någon bestående deformation eftersom största huvudspänning är inom god marginal till materialets sträckgräns. Analysen visar att maximal huvudspänning uppgår till 30 MPa i området där lasten läggs på. Området är markerat i röd färg och med en vit pil och visas i figur 35. FEM-analysen på främre ovandel samt underdel visar inga tecken på bestående deformationer då den största huvudspänningen är ca 71 MPa. Analysen visas i figur 36 där huvudspänningen är markerad med en vit pil och röd
färg. En mer detaljerad vy över området där maximal huvudspänning finns visas i figur 37.
FEM-analysen av verktygets främre underdel visar heller inga tecken på bestående deformationer. Maximal huvudspänning uppgår till ca 30 MPa och markeras med röd färg samt en vit pil i figur 38. En mer detaljerad vy över området där huvudspänningen finns visas i figur 39.
Figur 35: Huvudspänning i verktygets bakre del när belastning sker med 2700 N i längsgående riktning. Lila pilar indikerar pålagd last och gröna pilar indikerar fixering. Huvudspänningen uppgår till 30 MPa.
Figur 36: Huvudspänning i verktygets främre ovandel när belastning sker med totalt 2700 N i längsgående riktning. Lila pilar indikerar pålagd last och gröna pilar indikerar fixering. Plats där sträckgräns överskrids illustreras med röd färg. Huvudspänningen uppgår till 71 MPa.
Figur 38: Huvudspänning i verktygets främre underdel när belastning sker med totalt 2700 N i längsgående riktning. Lila pilar indikerar pålagd last och gröna pilar indikerar fixering. Plats där sträckgräns överskrids illustreras med röd färg. Huvudspänningen uppgår till 30 MPa.
FEM-analysen när lasten läggs på insidan, där blecket ansätts mot plasten visas i figur 40. Maximal huvudspänning som uppnås är ca 120 MPa och hittas i det område där lasten läggs an. En mer detaljerad vy över området där denna huvudspänning finns visas i figur 41. Det angivna värdet är över sträckgränsen och innebär att bestående deformationer kan erhållas om extremfallet med 2700 N belastning sker inuti handtaget.
Figur 40: Huvudspänning i verktygets bakre del när belastning sker med 2700 N i längsgående riktning där blecket antas ligga mot plasten. Lila pilar indikerar pålagd last och gröna pilar indikerar fixering. Huvudsppänningen uppgår till 120 MPa.
Beräkningen i bilaga D4-D5 resulterar i en böjspänning på 14 MPa på undre framdelens
yttersida. FEM-analysen visar att den största huvudspänningen i samma område är ca 16 MPa.
Området indikeras med röd färg och visas i figur 42. Värden från FEM-analysen och beräknad
böjspänning i samma yta är lika och FEM-analysen anses vara validerad.
Figur 42: Huvudspänning i verktygets främre underdel vid belastning om 2700 N i längsgående riktning. Lila pilar indikerar pålagd last och gröna pilar indikerar fixering. Största huvudspänning i rödmarkerat område ligger mellan 11 och 16 MPa.
När verktyget belastas med last på utsidan visar samtliga resultat av maximal huvudspänning
att materialets sträckgräns inte överskrids. Den totala belastning som verkar på både över- och
underdel har vid FEM-analyserna halverats för att undersöka delarna var för sig. För verktygets främre över- samt underdel är det vid infästningen av stängerna som störst huvudspänning erhålls. Låsningen indikerar på en fast inspänning och i verkligheten kommer en sådan infästning att fjädra. Resultatet blir därför inte helt verklighetstroget men då konstruktionen med god säkerhetsmarginal klarar sig från bestående deformationer under extremfallet anses testet lyckat. Att handtaget riskerar
att få bestående deformationer då lasten läggs på inuti anses inte vara ett problem. Största
huvudspänning är nära materialets sträckgräns och ytan där lasten läggs på är stor i förhållande till de andra anläggningsytorna. Skulle det vara önskvärt att få lägre huvudspänningar i konstruktionen även då lasten läggs på inuti kan fler förstärkningsribbor placeras ut så att anläggningsytan minskar.
Delarna som har modellerats var för sig och är tänkta att tillverkas separat testas med hjälp av SolidWorks inbyggda verktyg "Draft Analyzer". Delarna är modellerade för att kunna formsprutas och sedan plockas ur formhalvorna utan problem. Analysen görs med minsta släppvinkel satt till en grad. Sett från det håll som ställs in i analysen visar grön yta positiv släppvinkel, röd yta visar negativ släppvinkel och gul yta visar behov av släppvinkel. Dragning ur formen ställs in till det längsgående planet för respektive del. Resultatet av analysen visas i figur 39. Det syns tydligt att handtagets insida har grön markering medan utsidan har röd. Det är rimligt då den ena formhalvan kommer lossas åt ena hållet och den andra i motsatt riktning. Samma sak gäller för framdelen. Där syns det hur ovandelens insida är grön medan underdelens utsida är grön medan dess vertikala väggar blir röda.
Figur 43: Bilderna till vänster visar in respektive utsida för handtaget, bilderna till höger visar insida för främre delens övre del samt utsidan för dess undre del. Rött innebär negativ vinkel och grönt positiv.
8
SkiClicker 2.0
Färdigt koncept består av två kroppar som utgör verktygets handtag och framdel. Handtaget svarar mot krav på ergonomi genom att erbjuda användaren en möjlighet att greppa verktyget med handen vänd på det sätt som observerades tidigare i projektet. Handtagets vinkel relativt verktygets undersida möjliggör maximal kraftöverföring i vertikal led, som tillåter användaren att trycka ned verktyget
i bindningen. Handtaget är utformat med ett hexagonalt tvärsnitt kombinerat med en avrundad
utbuktning. Tvärsnittet erbjuder användaren ett stabilt grepp då det lyft alternativt dras upp ur
bindningen. Utbuktningen som ligger i handflatan erbjuder stabilitet när användaren trycker ner
verktyget. Verktyget visas i sin helhet i figur 40 samt figur 41.
Inuti handtaget huseras bleck, fjäder och skruvförband för att hålla dessa på plats.
Komponenterna tillåter justering och fixering av verktyget genom förändring av deras läge. Handtag och framdel länkas samman med hjälp av tre stänger där den mittersta, kuggstången, fixeras av
blecket. Handtaget är delat i längsgående riktning för att möjliggöra tillverkning genom
formsprutning samt för att möjliggöra montering av invärtes komponenter. Verktyget i låst läge med snedställt bleck och genomskinlig plast visas i figur 42.
Låsmekanismen fungerar genom snedställning av blecket. När knappen trycks ner agerar den direkt på blecket som snedställs tio grader. När blecket är snedställt 10 grader ligger både övre och
undre kant emot kuggstångens profil. På så sätt erhålls en kraftöverföring via normalkrafter och
verktyget går varken att förkorta eller förlänga under tiden blecket är snedställt. När knappen lossas trycker fjädern som sitter på motsatt sida om blecket tillbaka låsmekanismen till neutralt läge och justering är möjlig. Bleckets passform i öppet respektive låst läge visas i figur 43.
Figur 45: SkiClicker 2.0 sedd från sidan.
Figur 47: Passformen för bleck och stång i öppet respektive låst läge.
9
Diskussion
Ett befintligt verktyg som används för att ställa in bindningar vid försäljning och uthyrning av skidor anses kunna förbättras genom nya lösningar på dess justering- samt låsmekanism, dess ergonomi och
dess vädertålighet. SkiClicker 2.0 förbättrar låsmekanismen tack vare dess förmåga att överföra
normalkrafter istället för friktionskrafter. Hålbilden i blecket möjliggör en nogrann passform mot skårorna i stången. Till skillnad från befintligt verktyg kommer oönskad deformation inte att finnas i den förbättrade versionen. Den nya versionen har en formgivning som tillsynes är lik det befintliga
verktyget, men som vid närmare anblick skiljer sig markant. SkiClicker 2.0 är utformad för att
greppbyte sker mellan det att verktygets längd justeras och att verktyget sätts fast i bindningen. Vädertåligheten förbättras genom att verktygets mekaniska komponenter sitter inkapslade i handtaget och är bättre skyddade mot vatten och snö.
Konceptet togs fram genom en konceptgenerering som började efter att en rad externa sökningar genomförts. Dessa externa sökningar påverkade onekligen konceptgenereringen på mer än ett sätt och det svårt att säga om dessa hjälpte projektet framåt eller låste in det mot en undermedveten inriktning att efterlikna befintligt verktyg. Ett annat arbetssätt hade varit att genomföra en konceptgenerering enbart med kännedom om problemet som behöver lösas och sedan komplettera denna med externa sökningar. På så sätt hade påverkan från beställarens sida minimerats och gruppen kunnat arbeta mer fritt mot att lösa problemet. Vid det första konceptvalet vann en lösning som undersöktes genom beräkningar. Beräkningarna visade att den tänkta lösningen inte svarade mot studiens syfte och mål och därför undersöktes nästa lösningsvariant. Tack vare dessa beräkningar kunde gruppen motivera beslut angående vilken riktning arbetet skulle ta. Att utföra beräkningar i ett tidigt skede var av yttersta vikt för att spara tid i processen.
Konceptgenereringsprocessen första del tog lång tid utan att bidra till synliga resultat. Först när skisser och modeller i form av lerhandtag växte fram kom arbetet igång. I arbetets slutskeden när formgivning vävdes samman med idéer kring mekanisk lösning och hanteringen av krafter spelade dock det faktum att processens beslut var välmotiverade större roll. En del frågetecken som uppstod
kunna lösas. Formgivningen i sig blev påverkad av kraven och önskemålen kring ergonomi samt det befintliga verktygets utseende. Det faktum att det finns en befintlig variant av verktyget vars arbetssätt gick att undersöka gav ovärderlig information för att kunna ta beslut kring tänkt formgivning. Efter observationerna av befintligt arbetssätt togs beslut att formge ett handtag som går att greppa från två olika håll. Önskemålen var att på ena hållet skulle handtaget greppas för att ställa in verktyget och på andra hållet ska det greppas för att fixera och lossa verktyget i en bindning. Beslutet att vända på handtaget baserades på de ergonomiska önskemålen som gruppen ville uppnå.
Materialvalen som till slut blev polyamid, som är en viss typ av förstärkt termoplast för detaljerna som ska formsprutas, samt rostfritt stål för delarna som ingår i de mekaniska delarna gjordes framförallt med motivering av beräkningarna. Materialen ska klara den påfrestning som sker under extremfallen, utöver det ska materialen även gå att tillverka på önskat sätt. Dagens konstruktion består av vanligt stål för dess mekaniska delar samt polyamid för verktygets formsprutade delar. Valet av rostfritt stål förankras delvis i dess materialegenskaper samt önskan om att den ska vara vädertålig, men också för att det bidrar till verktygets exklusivitet. Modelleringen påbörjades i ett relativt sent skede. Senare än vad som var tänkt från början. Det blev så för att underlaget som användes vid modelleringen gjordes om ett antal gånger. Önskvärt hade varit att få färdigt designunderlaget tidigare och kunna påbörja processen tidigare.
FEM-analysen visade att största huvudspänning i en punkt i den yta där beräkningar avseende böjspänning utförts var ca 15 MPa och beräknat värde i samma punkt blev ca 14 MPa. Jämförelsen mellan beräkning och FEM-analys och dess relativt lika värde låg till grund för validering av FEM- analysen. Beräkningsmodellerna som användes är kraftigt förenklade fall av verkligheten då balken i konstruktionen är stöttad längs tre sidor. Förslaget för den förbättrade versionen bestod av dimensioner på väggtjocklek och placering av förstärkningsribbor likt det ursprungliga verktyget. Spänningarna som uppstod under belastningen ansågs omfattas av en tillräckligt stor säkerhetsfaktor för att verktyget inte skulle få bestående deformationer. Det antogs med förankring i FEM-analys och beräkningar att verktyget med stor säkerhet skulle hålla under användning.
Avgränsningen som behandlar kostnader för material och tillverkning gjordes i ett tidigt skede och om dessa inte hade gjorts förrän senare i processen är det fullt möjligt att den vinnande lösningen hade sorterats bort. Kostnaderna för tillverkningen av handtagsdelen och verktygets plastdelar bör rimligtvis bli lika kostnaderna för det befintliga verktyget men kostnaden för bleckets förändrade hålbild samt stångens bearbetning genom laserskärning är okänd.
10
Slutsats
Det vidareutvecklade verktyget uppfyller studiens syfte och mål. Det erbjuder en låsningsmekanism som fungerar utan oönskade deformationer, ger en ökad vädertålighet genom inkapsling av rörliga delar samt medför en bättre ergonomi för användaren.
Förslag på fortsatt arbete är utförligare tester på föreslagen låsningsmekanism och utveckling av knappens tekniska funktion. Mekanismen är beroende av noggrann passform mellan bleck och stång och denna passform bör testas i en skalenlig prototyp. Låsningsmekanismen är i sin tur beroende av att knappen fixerar den i tänkt läge och därför bör knappens tekniska funktion vidare undersökas.
Referenser
[1] C. Finch, H. Kelsall, "The effectiveness of ski bindings and their professional adjustment for preventing alpine skiing injuries". Sports Medicine. 1998;25:407-416
[2] No More Boots AB, "About" 2019 [Internet] Tillgänglig: https://www.nomoreboots.se/
about[Hämtad2019-03-24]
[3] K. Ulrich, S. Eppinger, "Produktutveckling: Konstruktion och design". Stockholm:
Studentlitaratur, 2014
[4] D. Norman, "The Design of Everyday Things". New York, NY: Basic Book, 2013
[5] S. Phaesant, "Bodyspace". 3 uppl. London: Taylor & Francis, 2003
[6] G. Harih, B. Dolšak, "Tool-handle design based on a digital human hand model". International Journal of Industrial Ergonomics. 2013;43(4):288–295
[7] M. Denscombe, "Forskningshandboken: För småskaliga forskningsprojekt inom
sammhällsvetenskaperna". 3 uppl. Lund: Studentlitaratur, 2016
[8] M. Kuniavsky, "Observing the User Experience : A Practitioner’s Guide to User Research." 2 uppl. San Francisco: Elsevier Science & Technology, 2012
[9] T. Kelley, J. Littman, "The Art of Innovation". Stockholm: Studentlitaratur, 2014
[10] C. Ljung, "Mekanik: statik". Stockholm: Liber, 2014
[11] B. Alfredsson, "Handbok och formelsamling i Hållfasthetslära". 11 uppl. Stockholm: KTH, 2016
[12] C. Abras, D. Maloney-Krichmar, J. Preece. "User-centered design". Encyclopedia of Human- Computer Interaction. 2004: 445-456
[13] M. Mägi, K. Melkersson, M. Evertsson, "Maskinelement". Lund: Studentlitaratur, 2017
[14] Granta Design "CES Edupack". Granta Design Limited 2017 [Internet] Tillgänglig:https:// grantadesign.com/education/ces-edupack/ [Hämtad:2019-02-07]