Den slutliga pulverhanteringsutrustningen modellerades i SolidWorks tillsammans med den befintliga kringutrustningen i produktionsloka-lerna. Renderade bilder av pulverhanteringsutrustningen i simulerade produktionssteg användes för att presentera och förklara den slutliga lös-ningen. Avslutningsvis gjorde en kort pitch för att framhäva konceptets fördelar.
4 Resultat
I detta kapitel presenteras resultatet från de använda metoderna.
4.1 Förstudie och planering
4.1.1 Planering
Resultatet från planeringen beskrivs i SMART-planeringen tillsammans med den uppdaterade planeringen under bilaga 1.
4.1.2 Observation och deltagande i produktionen
Genom att delta i produktionen vid tillverkning av höftkoppar i maski-nen Arcam EBM Q10plus erhölls en övergripande bild av pulverhante-ringen genom processen. Pulvrets väg beskrivs schematiskt i Figur 8.
Figur 8: Cirkulationen av titanpulver vid EBM- tillverkning hos AIM Sweden.
I dagsläget sker pulverhanteringen manuellt av operatörer i ett öppet sy-stem. AIM har köpt upp en större mängd från en och samma sats av ELI-pulver från tillverkaren. Vid denna process används ELI- pulveråtervinnings-strategi A som beskrivs i avsnitt 2.2. Processloopen börjar med att fyllda hopprar placeras i maskinen och ett nytt bygge startas. Då maskinen är klar och har svalnat öppnas luckan och byggbordet höjs. Löst pulver sugs upp med dammsugaren som är designerad för rent titanpulver. Byggka-kan Byggka-kan sedan tas ut och överföras till PRS. Innan blästring påbörjas till-förs nytt ELI-pulver till PRS. På så sätt kompenserar man för den mängd som avlägsnats i form av färdiga detaljer samt eventuellt spill så att en
konstant pulvermängd upprätthålls. Efter avslutad blästring siktas pulv-ret genom att PRS20 placeras ovanför sikten med hjälp av Q20 trolleyn. Siktat pulver blandas sedan med det kvarvarande hopperpulvret i en ma-nuell homogenisering som bygger på att pulver från de olika källorna placeras omlott i flera lager och blandas med ett homogeniseringsverktyg kallat powder mixing tool. I den stunden skapas en ny sats som sedan används för att återigen fylla upp hopprarna.
4.1.3 Kommersiella produkter för pulverhantering
Här redovisas resultatet från marknadsanalysen.
GE Arcam Spectra
Den senaste versionen av Arcams maskiner tillämpar ett så kallat slutet system där pulvret är isolerat från omgivningen och människan under hela tillverkningskedjan. Detta har lösts genom att dels innesluta byggkakan i en metallbehållare för transport till PRS och dels med ett nytt system för pulverbehållare som samtliga har en ventil för tömning och fyllning. Ventilerna är utformade för att automatiskt stängas då behållaren är full och har olika diametrar, exempelvis går inte behållaren som används innan siktning att koppla till hopperfyllaren. Därmed kan man inte av misstag fylla hopprarna med osiktat pulver. Hopperfyllaren är i sig ett intressant system som möjliggör vägning av hopprar vilket är ett krav från AIMs sida. Systemet ska även fungera till Q20 hopprar.
Höganäs
Det svenska företaget Höganäs har skapat en hanteringsstation för metallpulver som syftar till att kunna användas av AT- tillverkare. Systemet är en hög konstruktion som längst upp har en stor säck av polymermaterial där pulvret fylls. Pulvret går sedan igenom en sikt och slutligen till en behållare som står fritt på en vågplatta. [14]
SLM Solutions GmbH – SLM PSV
Detta system kallas PSV – Automatic Powder Supply Module och är anpassat för att integreras i de befintliga maskinerna SLM 280 och SLM500 som använder SLM-teknik. Systemet består av en separat enhet som kopplar SLM-maskinen till motsvarande PRS där pulvret förflyttas genom inducerat vacuum. I övrigt är systemet fyllt med inert gas för att minska explosionsrisk och ökad ackumulering av syre i pulvret. Systemet har både inbyggd våg och sikt. Funktionen hos systemet består av 3 rutter;
1. Fyllning. Siktat pulver tillförs SLM-maskinen genom den lufttäta slangen.
2. Recirkulering av pulver. Det pulver som faller ned på sidorna av byggplattan återcirkuleras till PSVn.
3. Återhämtning av pulver. Detta sker på SLM280 genom att en slang kopplat till PSVn suger upp det överblivna materialet i maskinen. På SLM500 ingår även en PRS vilket istället blir pulverkällan i tredje rutten.
Det finns även möjlighet att fylla på PSVn med nytt pulver för att ersätta byggmaterialet. Detta sker då med dammsugarslang. [15]
VAC-U-MAX
Detta system är ett mobilt pulverhanteringssystem som på många sätt liknar Höganäs lösning med några undantag. Systemet står på hjul och är något mindre än Höganäs system. Som namnet antyder bygger det på vakuumteknik där man hämtar pulver till systemet genom att dammsuga upp det. Vakuumenheten föregås av flera filter för att minimera kontaminationsrisken. Alla kontaktytor består av gnist- och rostfritt stål. I systemet finns en inbyggd sikt och en kontakt för att enkelt kunna jorda systemet i ett eluttag. Alla moment sköts genom en digital panel på baksidan av konstruktionen. [16]
AMPRO Sieve station och AMPRO 400S EBM från Russell Finex
Russell Finex gör tillbehörsutrustning till 3D skrivare och har bland annat tagit fram en siktstation kallad AMPRO Sieve station. Denna består av ett stort skåp innehållande en sikt, fyllning sker via den integrerade vakuumslangen. Systemet kan köras med inert gas för minskad explosionsrisk och det siktade pulvret vägs kontinuerligt. Systemet ska även kunna användas för att bestämma syrehalten på ett pulver för att avgöra om det kan tas till produktion. Russell Finex har även en station som är utformad för att användas till EBM tillverkning, se Figur 9. Denna konstruktion står på en vagn och är utformad för att kunna fylla hopprarna med pulver. [17]
Figur 9: AMPRO 400S EBM är en siktstation från Russell Finex vars uppgift är att fylla hopprar med siktat återvunnet pulver. Bild hämtad från [17]. Återgiven med
4.2 Produktspecificering
4.2.1 Intressentanalys
De intressentgrupper som identifierades kunna bli berörda av produkt-utvecklingsarbetet eller den tilltänkta produkten framställs i Figur 10.
Figur 10 : Intressentanalys för projektet. AIM Sweden
Den viktigaste intressenten i projekt var AIM som både var uppdragsgi-vare och användare av produkten. De olika avdelningarna på företaget har något olika kravbilder på vad produkten bör leverera och har särskil-des därför i intressentanalysen.
Kunder till AIM
AIM jobbar med kunder från olika branscher med olika kravbilder. Bland de som ställer högst krav på produktionen finns Aerospacekunderna och kunderna inom medicinteknikområdet som är certifierade enligt flera olika standarder som ställer krav på leverantörens produktionsprocesser.
GE Additive (Arcam)
Den del av GE som arbetar med additiv tillverkning producerar de Arcam-maskiner och kringutrustning som används på AIM. De kan
AIMs Kunder
• Medicinteknik
• Luftfart
• Övriga
GE -Additive (Arcam) LP -innovation• Tillverkning
AIM
• Användare • Företaget • Teknik • Ekonomi • QAkomma att beröras av den tilltänkta produkten i ett senare skede då pro-dukten finns tillgänglig för ett eventuellt uppköp.
LP innovations
Detta företag är inriktade på produkter uppbyggda av aluminiumprofiler från det franska företaget Norcan [18]. LP innovation erbjuder både en-klare profilbaserade lösningar och helhetslösningar med integrering av andra system för kundanpassade produkter. De har sedan tidigare kon-takt med AIM angående tillverkning av produkter för pulverhantering. I första hand är det tänkt att produkten ska produceras av dessa, vilket gör att de har krav och önskemål rörande konstruktionen.
4.2.2 Krav och önskemål
Behoven hos de olika intressentgrupperna samlades genom metodansat-serna beskrivna i avsnitt 3.2.2. Dessa sammanställdes i listor som sedan fördes in i kravspecifikationen.
AIM Sweden
Nedan beskrivs identifierade krav och önskemål från AIM på företagsnivå och som användare av den tilltänkta produkten.
Företaget
De behov som finns för företaget handlar om att man vill åstadkomma en fullständig kontroll av pulver genom processen och på så sätt få en högre spårbarhet och möjlighet att identifiera områden med förbättringspot-ential i processen. Ett mål är att få kännedom om exakt pulveråtgång för respektive byggprocess och på så sätt kunna jämföra offertunderlag mot faktisk åtgång utifrån en ekonomisk synvinkel. Man vill med även redu-cera arbetet för operatörer och ge förutsättningar för att skapa en process med hög reliabilitet. Produkten måste vara ekonomiskt försvarbar och ett önskemål är att den ska vara klar att tas in i produktion innan årsskiftet.
Tabell 1: Krav och önskemål från uppdragsgivaren AIM Sweden.
Behov - AIM Företaget
Funktion/Begräns-ning
Krav/Önske-mål
Väga, tömma och förvara
Q10 plus hopprar F K Q20 plus hopprar F K PRS20 eller pulvertunna F K Kompatibilitet Q10 plus trolley F K Q20 plus trolley F K Homogenisering
Kunna homogenisera 250 kg titanpulver F K Kunna tillföra pulver i homogeniseringssteget F K
Siktning
Inbyggnad av befintlig sikt F Ö
Kontaminering
Kontaktytor i rostfritt eller titan B K
Inte medföra ökad kontaminationsrisk B K
Medföra minskade kontaminationsrisker F Ö
Risker
Inte medföra ökad hälso- eller skaderisk för
perso-nal B K
Inte medför ökad explosionsrisk F K
Förvaring Q10plus hopprar F Ö Q20plus hopprar F Ö Q10plus byggtank F Ö Q20plus byggtank F Ö Pulvertunnor F Ö Övrigt
Ökad reliabilitet (repeterbarhet) i processen F K
Samma process för alla maskiner F Ö
Kunna introduceras innan årsskiftet B Ö
Få plats i titanbearbetningsrummet B Ö
Användaren
För de som arbetar som operatörer i produktionen handlar behoven om att få en enkel och smidig process för att minimera risker kopplade till arbetet. Man vill minimera arbetsskador som kan uppkomma i samband med pulverdamm, tunga och repetitiva moment eller andra moment i processen. Dessutom vill man genom en enkel process minska risken för att man gör fel som orsakar pulverkontamination, störningar i magnetfält eller förstörd spårbarhet. Som produktionsarbetare är det viktigt att det inte finns moment som stör arbetsflödet såsom många omkopplingar el-ler ständiga byten av utrustning. Man vill ha ett arbetsflöde som är logiskt uppbyggt och kan utföras på samma sätt oberoende av tillverkningsma-skin. På så sätt slipper man lägga arbetstid på att fundera över arbets-gången. Vidare vill man minimera flaskhalsar i produktionsflödet och gärna ha moment som antingen ligger i tidsspannet mindre än 5 minuter eller över en halvtimme. Detta eftersom de processer som har en tidsåt-gång mellan 5 och 30 minuter upplevs som för lång tid att stå intill och vänta, men för kort tid för att påbörja ett ytterligare moment eller ta en rast utanför produktionslokalerna. Nedan listas behoven i Tabell 2.
Tabell 2: identifierade behov hos användaren av stationen, i detta fall operatörer.
Användarens behov
Inte försvårad process Förenklad process
Minskad risk för pulverkontaminering Inte medföra ökade hälso- eller skaderisker Minskade hälso- och skaderisker
Inte försämrad arbetsmiljö Omöjliggöra mänskliga faktorn-fel
med processen samt validerings- och kalibreringscertifikat för utrust-ningen. Stora förändringar i processen kräver att kunderna lägger omfat-tande resurser på att återigen säkerställa att den uppfyller kraven, där-med är det ett önskemål att göra det enkelt för företagen att förstå skill-naderna som uppkommer i samband med ny utrustning. [19]
Tillverkare
En intervju med personal på LP innovation gav information om deras ka-pacitet och önskemål för att förenkla tillverkningsprocessen. LP innovat-ions ansåg att de kunde bistå i arbetet på många olika sätt, de kunde dels leverera profiler till kunder för att själva montera till färdig produkt, eller bistå med montering och installation. För att kunna ge bästa möjliga hjälp önskar de att konstruktören använder sig av Norcans aluminiumprofiler och komponenter [18] vid modellering där det är möjligt, samt att det förs en dialog kring konstruktionen för att minimera risk för missförstånd. Profilerna från Norcan finns även tillgängliga som CAD-modeller på till-verkarens hemsida.
GE Additive (Arcam)
Kontakt togs med GE additive som kunde dela med sig av information kring befintliga system. Eftersom detta projekt syftar till att specifikt möta kraven från AIM Sweden ansågs det inte nödvändigt att presentera kon-cepten för denna intressent under projektets gång. Förhoppningsvis är företaget intresserade av att ta del av projektet då det har avslutats.
4.2.3 Inläsning på teknikområdet
Vid inläsning på teknikområdet togs kontakt med en tillverkare av vågar och lastceller. Denna kontakt kunde ge exempel på lämpliga lastceller och monteringar av dessa för att väga otympliga föremål. De mest lovande grundprincipen för detta projekt ansågs vara att använda sig av lastceller, se Figur 11 [20]. Bland dessa fanns tre mer lovande varianter:
• S-lastcellen som lämpar sig för dragande belastning och därmed upphängning av vikter.
• Singlepoint-cellen som har en platta där föremålet placeras för att vägas.
• Shear beam celler där 2-4 enheter används och har en fördel i att de klarar skjuvande belastningar.
Figur 11: Olika lastcellstyper från Vetek. Bilder hämtade från [20]. Till vänster: en S-lastcell. Mitten: en singlepoint-lastcell, till höger: en shear-beam-S-lastcell. Återgiven
med tillstånd.
Vid inläsning på tekniska området kring blandning av pulver, erhölls in-formation om olika blandartyper och deras applikationer. I läkemedels-industrin används ofta någon variant av tumlarblandare såsom v-blan-dare eller dubbel-konisk blanv-blan-dare, se Figur 12 [21]. Dessa typer ansågs vara mest lämpliga för den tilltänkta homogeniseringsutrustningen ef-tersom pulvret endast är i kontakt med rostfritt stål i ett slutet rum. Den optimala fyllnadsvolymen för dessa ligger på mellan 20 och 40 % av blan-darens totala volym. Den bästa blandningen sker då centrifugalkraften är låg men inte så låg att ingen turbulens sker. [22]
4.2.4 Kravspecifikation
De identifierade behoven hos de olika intressenterna samlades i en krav-specifikation för produkten som finns som bilaga 2.
4.3 Konceptgenerering
4.3.1 Funktionsstruktur
Funktionsstrukturen sammanfattas nedan i Tabell 3 som beskriver funkt-ionerna samt deras input och outputs. Den fullständiga funktionsstruk-turen finns som bilaga 6.
Tabell 3 Sammanställning av funktionsstrukturen
Input Funktion Output
Ny pulverbatch Fylla hopprar Känd utgångsmängd Se insatt pulvermängd i vardera
hop-per
Byggprocess Se kvarstående pulvermängd i vardera hopper Känd kvarstående icke-pro-cessad mängd Information för maskinjuste-ringar Vakuumsug +
Bläst-ring i PRS + Siktning Se mängd återvunnet pulver Känd återvunnen pulver-mängd Pulver från olika
platser Blanda pulvermängder Uppsamlat pulver i homoge-niseringsbehållare Uppsamlat pulver Homogenisera pulver Ny homogen pulversats
med spårbarhet
4.3.2 Funktionsanalys
Utifrån funktionsstrukturen kunde följande huvudfunktioner och del-funktioner identifieras. De olika deldel-funktionerna kunde även delas in i krav och önskemål utifrån den kravspecifikation som tagits fram. Dessa listas i Tabell 4 nedan.
Tabell 4 Funktionsanalys Funktionsanalys Beskrivning K/Ö, Vikt (1-5) Kommentar
Huvudfunktion 1 - Spårbarhet: Dokumentera pulvrets förflyttning genom processen
Delfunkt-ion 1.1
Mäta insatt pulvermängd till
ma-skin K
Delfunkt-ion 1.2 Mäta kvarstående icke-processad pulvermängd efter bygge K
Delfunkt-ion 1.3 Mäta mängd återvunnet pulver från PRS K
Delfunkt-ion 1.4 Mäta individuella hopprars pulver-mängd K Huvudfunktion 2 - Förbättrad pulverhantering
Delfunkt-ion 2.1 Fylla hopprar K
Delfunkt-ion 2.2 Tömma hopprar K
Delfunkt-ion 2.3 Flytta pulver mellan behållare K
Delfunkt-ion 2.4 Homogenisera pulver K
250 kg, Även kunna tillföra pulver under processen
4.3.3 Identifiering av behovsområden
De två behovsområden som kunde identifieras presenteras nedan Behovsområde 1: Flytta och väga pulver
Definieringen av detta behovsområde syftar till att undersöka lösnings-rymden för alla möjliga sätta att flytta och väga pulver.
Behovsområde 2: Blanda pulver
Att definiera området på ett lösningsoberoende sätt syftar till att samla kreativa lösningar för att blanda pulver, vilka sedan kan användas till koncept.
4.3.4 Generering av dellösningar
Vid brainstormingsessionen samlades dellösningar genom att de skrevs upp på en whiteboardtavla under aktiviteten. Dellösningar som tagits fram av resterande metoder samlades i en tabell. Bland de dellösningar som tagits fram genom de systematiska och kreativa metoderna kunde ett stort antal direkt elimineras då de stred mot krav eller inte kunde an-ses vara realiserbara i detta projekt.
4.3.5 Morfologisk matris
De dellösningar som ansågs vara mer lovande och realiserbara samlades i en morfologisk matris som användes för att sätta samman totalkoncept, se Tabell 5. Genom att kombinera lösningar för de olika delfunktionerna kunde huvudfunktionerna uppfyllas i olika totalkoncept. I vissa fall kunde en dellösning uppfylla flera funktioner och då har cellerna i matri-sen sammanfogats.
Tabell 5: Morfologisk matris där lösningarna till delfunktionerna samlades för att underlätta konceptgenereringen
Delfunktioner
Spårbarhet 1.1 Insatt pulvermängd 1.2 Kvarstående pulvermängd
1.3 Återvunnen
pulvermängd 1.4 Individuell hopperpulver-mängd
Lösningar Upphängning av hopper i lastcell Väg PRS20 innan
siktning Väg en i taget Ställ hoppern på en lastcell Sikten får inbyggd
våg Väg två samtidigt Väg pulver i vågskål och fyll hoppern Töm hoppern i en vågskål Töm i homogeniserings-maskin som kan väga innehållet Töm i vågskål à tarera àupprepa Väg pulverbehållare kontinuerligt. Töm innehåll i två separata vågskålar Töm genom en vågstation Töm i två separata vågskålar. Delfunktioner
Hantering 2.1 Fylla hopprar 2.2 Tömma hopprar 2.3 Flytta pulver 2.4 homo-genisering
Lösningar Flytta fyllnings-behållare mellan hopprar Botten-tömning ner i behållare utan trolley Transportera med
vakuumsug Rulla tunna på rullar (SLS varianten) En fyllnings-behållare med två rör och huvudventil Botten-tömning ner i behållare med trolley
Tippa och hälla Mixerstav. KitchenAid
4.3.6 Konceptgenerering
Utifrån den morfologiska matrisen skapades sex koncept genom att mar-kera dellösningarna med färgade prickar där varje koncept gavs en spe-cifik färg. Dessa koncept benämndes sedan utifrån den färg som använ-des och använ-dess dellösningar kan ses i bilaga 7. Nedan beskrivs de olika kon-cepten
Koncept Blå
Detta koncept bygger på en ställning med två vägningsmoduler som kan röra sig i sidled för att passa både Q10 och Q20, se Figur 13. Varje väg-ningsmodul är upphängd i en s-lastcell för vägning. Homogenisering sker genom en tunna som placeras på roterande hjul, vilket får tunnan och dess innehåll att rotera. Tunnan kan sedan användas för att fylla på hopprar ovanifrån.
Figur 13: Koncept blå bygger på en ställning med två vägningsmoduler och en liggande tunna för homogenisering
Koncept Orange
Detta koncept bygger på två bäddar som formats för att kunna hålla Q20 hopprar. Dessa bäddar är placerade på varsin lastcell, som i sin tur är placerad på en räls som gör det möjligt att justera avståndet mellan bäd-darna, se Figur 14. Genom att använda en adapter kan bäddarna använ-das till att väga Q10 hopprar, se Figur 15. För homogenisering används en befintlig lösning som kallas ”drum hoop mixer” och består av en tunna som fästs diagonalt i ringar som står på ett rullband.
Koncept Gul
Detta koncept har samma typ av vågställning som koncept blå men sak-nar överdelen av ställningen. Homogeniseringen sker genom en avtagbar roterande form med ventil undertill för tömning ner i hopprar samt ett stort lock för att tömma hopprarna i homogeniseringsbehållaren, se Figur 16
Figur 16: Koncept Gul, en avtagbar roterande form används till homogenisering av pulvret och en vågställning används för hoppervägning.
Koncept Grön
Detta koncept särskiljer sig för övriga koncept med en separat vågskål där all vägning sker, se Figur 17. Den stora vågskålen har försetts med lastceller längst dess långsidor. Homogenisering sker genom att en stor roterande skruv lyfter upp pulvret i mitten och får övrigt pulver att röra sig mot mitten. Efter homogenisering kan hopprarna fyllas genom en ventil i vågskålens botten.
Figur 17: Koncept Grön, en stor separat vågskål används till all vägning. En roterande skruv används för att homogenisera pulvret.
Koncept Röd
Koncept röd är anpassat för att ta liten plats och löser vägningsfunktionen genom en enskild vågställning placerad på en bordsvåg där en hopper kan vägas åt gången, se Figur 18. Homogenisering sker genom en lång behållare som roterar kring en horisontell axel. Denna behållare fylls och töms med hjälp av en tratt. Homogeniseringsbehållaren är även upp-hängd i lastceller för att kunna mäta mängden återvunnet pulver.
Figur 18: Koncept Röd, en liten ställning är placerad på en bordsvåg för vägning av en hopper åt gången. Homogeniseringslösningen består av en roterande behållare
som fylls och töms med hjälp av en tratt. Koncept Grå
Koncept grå bygger på en mindre vågstation bestående av en räls som försetts med två ställningar där hopprar kan hängas upp, se Figur 19. Varje ställning är sammankopplad till rälsen med en lastcell för vägning av hoppern. Homogeniseringen i detta koncept är tänkt att ske med hjälp av en betongblandare av frifallstyp som är måttsatt för att passa pulver-mängden och möjliggöra fyllning och tömning av hopprar.
4.4 Konceptval
4.4.1 Eliminering av koncept
Vid elimineringsmatrisen kunde koncept grön elimineras eftersom samtliga krav inte uppfylldes. Resterande koncept fick beslutet att mer