Tanken är bestående av en inner- och ytterspiral för att nyttja tankens volym samtidigt som röret tillåts att bearbetas. För att minimera både ledningsytor och volym blev större radie av rör till fördel medan mindre radie var fördelaktigt gällande bockning, därav blev en balans nödvändig. Dimension av rör valdes till att vara 25.4 x 1.65 mm (ytterdiameter x tjocklek). Dimensionen var av standardiserat mått från Calamos befintliga utbud [10]. Utifrån given data kunde lämpliga längder för spiralröret erhållas.
r L
V = π inner2
tot (9)
Utifrån ekvation 9 framtogs lämplig längd. Längden per varv antogs vara omkretsen av en cirkel.
πr
Lvarv = 2 (10)
Från ekvation 9 och ekvation 10 erhölls antal nödvändiga varv för respektive spiral att uppnå önskad volym.
nvarv = Ltot
Lvarv (11)
Spiralhöjden blev därav följande
n
zSpiral = dytter varv (12)
Utifrån ovanstående ekvationer kunde spiralvolymens höjd och radie tas fram för respektive volym av termos. Spiraltankens dimensioner presenteras i Tabell 4.
Tabell 4. Erhållna dimensioner beroende av volym
Volym 2.5 liter Volym 3.8 liter Volym 5 liter
Yttre Spiraldiameter [cm] 16 19 22
Inre Spiraldiameter [cm] 10 14 17
Höjd Spiraltank [cm] 20.3 24.3 27.1
Diameter Spiraltank [cm] 17.5 20.5 23.5
Tilläggningsvis, utifrån ekvation 9 kunde spiralens massa tas fram
V
m = ρ (13)
Ur ekvation 13 ovan beräknades massan för spiraltanken vilket presenteras i Tabell 5 nedan, se Bilaga 1 för beräkning.
Tabell 5. Massa för respektive volym av termos
Volym 2.5 liter Volym 3.8 liter Volym 5 liter
Spiraltank massa [kg] 6.3 9.58 12.6
Huvudsakliga målet med isoleringen var att minimera värmeledningsförmågan för att erhålla en optimal isolerande effekt. Det andra målet var att minimera kostnaden vilket var mindre viktat. Nödvändig passiv restriktion var att materialet skulle tåla vatten. Med hjälp av CES-Edupack som verktyg togs en grafisk lösning fram för att tolka [11].
Figur 7. Egenskapsdiagram till materialval för isolering på tanken.
Den grafiska lösningen med hjälp av CES-Edupack visas i Figur 7. Material längs ned till vänster var bäst passande till materialets utsatta fall som är befinnande längs trade-off kurvan. Materialet fenolskum (sluten cell) som var av materialgruppen härdplast hade lägst värmeledningsförmåga av samtliga material och innehöll ett lågt pris. Materialet fenolskum (sluten cell) valdes grundat på värmeledningsförmågans högre viktning gentemot priset.
Skum med slutna celler består av ett högt antal mikroskopiska intakta bubblor. Strukturen med slutna celler ger gasfickor som är slutna från varandra, på så sätt erhåller skummet en högre dimensionell stabilitet. Strukturen minimerar flödet genom kroppen som leder till att den termiska energin isoleras, till skillnad från öppna celler där luften kan flöda genom kroppen. Därav bidrog skum med slutna celler till en fördel vid termiskviktade material som önskade inneha en hög isolerande effekt [12].
Det som var av intresse att studera var ytterspiralen på grund av spiralens distans från termosens vägg. Bilaga 1 beskriver framtagandet av isoleringstjocklek med hjälp av ekvation 2, ekvation 3 och ekvation 8. Lämplig isoleringstjocklek presenteras i Tabell 6.
Tabell 6. Lämpliga isoleringstjocklek för respektive volym
Volym 2.5 liter Volym 3.8 liter Volym 5 liter
Isoleringstjocklek [cm] 2.21 1.93 1.88
Tanken är av materialet elektropolerat austenitiskt rostfritt stål SS-2333 i form av ett rör med dimensionen 25.4 x 1.65 mm. Det elektropolerade materialet var från Calamo och därav sattes som restriktion till att nyttjas.
Figur 8. Egenskapsdiagram till materialalternativ för tank.
Materialet austenitiskt rostfritt stål SS-2333 är samma som AISI 304 fast med annan beteckning [13]. Värmeledningsförmågan önskades minimeras medan formbarhet i form av duktiliteten för materialet önskades maximeras, CES-Edupack nyttjades som verktyg för materialvalet. Samtliga rostfritt stålmaterial hade liknande önskvärda egenskaper där AISI 304 hade hög duktilitet och låg värmeledningsförmåga i relation till resterande material enligt Figur 8. Av den anledning var materialet AISI 304 av god val.
Tanken är spiralformad av anledningen att underlätta tillverkningen eftersom spiralformen enkelt kunde göras genom rullbockning. Arbetsstycket matas igenom ett antal rullar vilka tillsammans resulterar i en plastisk deformation. Processen var en enkel och tidseffektiv lösning för att erhålla önskad geometri [9]. Två spiraler gjordes, en inner- och en ytterspiral
kopplingar, förslagsvis klämhylsor vilka enkelt och kostnadseffektivt kunde nyttjas för att koppla samman spiralerna med systemet.
Figur 9. Spiralformad tank.
Figur 9 illustrerar hur tanken kan se ut och kommer att omslutas av isoleringen. Tanken placerades i själva kroppen av termosen. Tanken innesluts sedan av isolering med tjocklek givna i Tabell 6 beroende på volym av tank. Isoleringen omsluter alla tankens ytor: tankens sidor, övre- och nedre yta för att säkerställa att hela tanken behåller värmen. Isoleringen placeras i spiraltankens inre hålrum samtidigt som den placeras mellan tanken och kroppens väggar. Konstruktionen var utformad sådan att isoleringen snabbt och enkelt kunde fyllas vid montering för en effektivare produktion eftersom komponenterna monterades i tur och ordning i ned- och upp struktur.
Om termosen fylls antagen att tanken innehar rumstemperatur överförs energi från kaffet till att värma upp tanken. Antagande att temperaturen på kaffet var 92 grader Celsius kommer temperaturen sjunka till en temperatur på 74.6 grader Celsius efter kaffet hälls i termosen, se Bilaga 1 för beräkning genom att nyttja ekvation 2. Enligt den enkla modellen som användes här för värmeöverföring så var temperaturförluster oberoende av spiraltankens volym på grund av att rörets tvärsnitt var oförändrad. Eftersom spiraltankens innehållande massa krävde större mängd energi för att uppnå jämvikt med kaffets temperatur, blev förlusten hög
i relation till en optimerad cylindrisk tank med en temperaturförlust på cirka 3 grader Celsius beroende på volym av termos.
4.6.2 Kropp
Målet för kroppen var att minimera pris och värmeledningsförmågan samtidigt som kompressiv styvhet önskades maximeras. CES-Edupack nyttjades som verktyg för att plotta ett egenskapsdiagram med materialegenskaper i respektive diagramaxel. Ur diagrammet erhölls ett flertal lämpliga urval av material att välja bland.
Figur 10. Egenskapsdiagram till materialval för kroppen på tanken.
Ur Figur 10 erhölls ett lämpligt material till kroppen att vara austenitiskt rostfritt stål AISI 205. Materialet var kostnadseffektivt genom ett billigt materialpris kontra styvheten samtidigt som värmeledningsförmågan var låg i relation till andra material. Detta av anledningen att AISI 205 innehåller mycket mangan istället för nickel vilket gör materialet billigare. Dock finns ej AISI 205 som en jämförbar EN/SS-standard och innehar en skillnad i deformationshårdnande i relation till SS-2333. Därav var både materialen AISI 205 och SS-2333 lämpliga alternativ. Materialet var också av formen plåt för att gynna tillverkningen.
Kroppen är gjord av en öppen cylindrisk form visad i Figur 11. Geometrin är simpel och utförs genom rullbockning av plåt. Metoden är enkel och rullbockningen kunde även göras med manuell rullbockningsmaskin för att uppnå radien. Därmed blev valet av materialet en förbättring eftersom tillverkningen hölls enkel samtidigt som materialet signalerade estetik [9].
För att säkerställa att kroppen klarade den utsatta belastningen, utfördes en FEM analys med hjälp av Creo Simulate som verktyg. Kroppens tjocklek var satt till att vara 1.0 mm och belastningsfallet var satt till en trycklast på 20 kg som ett extremfall.
(a) (b)
Figur 11. FEM Simulering av kropp. (a) visar förskjutningen som uppstår på kroppen på grund av pålagd last och (b) visar spänningar i kroppen.
Utfallet av simuleringen visas i Figur 11. Utfallet tyder på att kroppen hade en opåverkbar låg deformation till den utsatta belastningen. Högst spänning förekom vid hålkanten vilket ligger under materialets sträckgräns. Därav hade kroppen tillräckligt formad geometri och material för att uppfylla utsatt funktion. Resultatet av simuleringen gav att en kropp av 1.0 mm plåt av materialet AISI 205 var ett lämpligt val.
4.6.3 Tappkran
Tappkranen är en standardiserad Tomlinson tappkran av varianten för kaffe. Varianten var vald för att tåla kaffets höga temperatur och innefattade en standardiserad koppling som hade möjlighet att fästas mot tankens koppling. Tomlinson tappkran resulterade i ett
minimerat antal specialtillverkade komponenter som ledde till en kostnadseffektivare konstruktion. Standardiserade komponenter kunde köpas in istället för att själva tillverka som gynnar konstruktionen produktionsmässigt. Tomlinson tappkran gav även användaren tydlighet hur kaffet rann ur termosen vilket ökade användarvänligheten [8].
4.6.4 Underplatta
Underplattan är en del av skalet på termosen och har som funktion att förknippa termosens fot till övre del samtidigt som underplattan bär tanken. Underplattan var av den anledning en central del i termosen då den utsätts för belastning. Med hjälp av CES-Edupack undersöktes det befintliga ABS-plastmaterialet. Restriktioner sattes till att vara plastmaterial som tillät formsprutning som tillverkningsmetod.
Figur 12. Egenskapsdiagram till materialval för alternativt plast.
Egenskapsdiagrammet Figur 12 innehar ett flertal plastmaterial som tillåter formsprutning som tillverkningsmetod, dock var plastmaterialen som hade lägre pris och högre styvhet än ABS-plasten en estetik som ej symboliserade kvalitet. ABS-plasten innehöll lågt pris och hög styvhet och valdes till att nyttjas som material.
Eftersom det är underplattan som tar upp tyngden av tanken blev det viktigt att säkerställa att detaljen klarade av den tyngdlast den utsätts för. Fallet undersöktes genom simulering vilket detaljen antogs utsättas för ett extremfall av en tyngdlast på 20 kg.
(a) (b)
Figur 13. FEM Simulering av underplatta. (a) visar förskjutningen som uppstår på underplattan på grund av pålagd last och (b) visar spänningar i underplattan.
Simuleringen som visas i Figur 13 beskriver att deformationen var låg fast märkbar synlig och att maximal spänning i materialet var under materialet sträckgräns. Simuleringen gav att detaljen var av tillräcklig form och material för att klara av den utsatta miljön. Diagonala avstyvningar adderades av anledningen att öka vridstyvheten för att minska deformationen. Det finns även plats för en våg att placeras i underplattan för att mäta vikt av tank vilket önskades av 3TEMP.
4.6.5 Spillbricka
Spillbrickan har som funktion att fånga upp kaffet som droppas ned från tappkranen. På så sätt samlas kaffet upp istället för att söla ned termosen och tillhörande omgivning.
Figur 14. Lösningsalternativ för spillbricka.
Spillbrickan består av två komponenter som illustreras i Figur 14. Komponenterna beskrivs som följande, en hållare som själva spillskivan monteras på för att även sättas fast på termosens fot. Hållaren sätts fast på termosens fot genom att använda magnet på undersidan. Magnetförbandet gör det lätt för användaren att demontera spillbrickan vid rengöring. Kan göras för hand för att undvika verktyg eller liknande vilket gör underhåll enkelt. Själva spillskivan kommer fogas fast på hållaren genom en greppassning vilket även här tillåter att parterna kan demonteras vid behov. Eftersom spalterna med tiden kunde medföra missfärgningar eller kalkbildning på grund av kaffet, blev det viktigt att möjligheten för rengöring fanns. Spillskivan är försedd med hål för kaffet att rinna ned i. Under spillskivan finns en samlingsbox för kaffet att ta vägen. Boxen samlar kaffet för att förhindra kaffet från att smutsa ner. På så sätt kan termosen hållas ren och fräsch. Boxen är en del av hållaren för att minimera antal detaljer i konstruktionen. Därav blir det enkelt att demontera för att rengöra från spill.
Som resterande av höljet till termosen görs även spillbrikans hållare i ABS-plast för att hålla kostnaderna nere. Passade företaget tillverkningsmässigt med tillhörande tillverkningsmetoder. Själva spillskivan görs i samma austenitiskt rostfritt material AISI 205 som kroppen för att synliggöra kvalitet. Geometrin är formad av hål med samma radie för att undvika verktygsbyte, eftersom hålen enkelt kunde stansas som tillverkningsmetod. Undantag av radie vid hålet längst ut, där hållet är placerad för att signalera användaren vart koppen ska ställas sådan att koppen är placerad rakt under tappkranen.
4.6.6 Handtag
Handtaget är formad för att enkelt kunna monteras på termosen. Förbandet monteras med hjälp av materialets elastiska deformation genom en snäppfunktion. Handtaget är formad med fasning för att både underlätta tillverkningen och göra handtaget bekväm för användaren.
För att kontrollera att handtaget tål viktlasten den utsätts för simulerades även denna. Simuleringen beskrevs av ett extremfall av lasten verkande på handtaget. Lasten antogs till vara en tyngdlast med avseende på egenvikten. Egenvikten sattes till 20 kg som extremfall vilket speglas i en kraft på cirka 200 N.
(a) (b)
Figur 15. FEM Simulering av handtag. (a) visar förskjutningen som uppstår på handtaget på grund av utsatt last och (b) visar spänningar i handtaget.
Utifrån Figur 15 kan det utläsas att handtaget har en låg deformation vilket tyder på att materialet och geometrin som handtaget är formad utav var tillräcklig hållfast. Kan alltså även här göras i samma ABS-plast som vid resterande höljekonstruktion.
4.6.7 Lock
Locket är konstruerad sådan att användaren enkelt kunde öppna och stänga termosen vid behov. Locket fästs mot termosens överdel genom ett skruvförband. Skruvförbandet tillät locket att på ett smidigt sätt monteras/demonteras samtidigt som den höll termosens tank tät.
Figur 16. Lösningsalternativ för lock.
På grund av tankens öppning till lock, konstruerades storleken på locket att vara liten fast tillräcklig för att kunna hälla i kaffet, se Figur 16. Detta med anledningen till att minimera värmeförlusterna och fortfarande uppfylla funktionen att kunna fylla tanken. Värmen i tanken stiger och därav blev överdelen av termosens isolerande effekt viktigt.
Den konformade geometrin på locket minskar även kaffespill, sådan att själva hålet på termosen kunde hållas mindre och kaffet hindrades från att spilla ned. Formen ledde till att lockets funktion uppfylls samtidigt som termosen kan hållas fräsch.
4.6.8 Stativ
Stativet har som funktion att hålla uppe termosen sådan att användare kan ställa kopp under tappkranen. Är alltså länken mellan termosens fot och kropp som fogas ihop genom snäppfunktion. Materialet hålls samma som den nuvarande termosen vilket var av ABS-plast. Av den anledningen innehar formen släppvinklar för att ge möjlighet för formsprutning av plast.
Stativet undersöktes med liknande metod som föregående utförts. Belastningsfallet beskrevs som en tryckbelastning av 20 kg för att undersöka om stativet klarade ett extremfall av applikationen den utsattes för.
(a) (b)
Figur 17. FEM Simulering av stativ. (a) visar förskjutningen som uppstår på stativet på grund av utsatt last och (b) visar spänningar i stativet.
Utfallet av simuleringen visas i Figur 17. Utfallet beskriver att stativet också hade som föregående simuleringsfall en opåverkbar låg deformation med avseende på plastens flexibilitet. Därav också tillräcklig formad för att tåla den last stativet utsattes för. Stativet kunde alltså göras av materialet ABS-plast för att uppfyll stativets bärande funktion.
5 Diskussion
Kapitel innehåller en reflektion över resultat samt arbetssättet som utförts i projektet.
5.1 Metodik
Metodiken som implementerades för att genomföra projektet ansågs användbara och tillräckliga för att uppnå målet. Nulägesanalysen skapade en bild över termosens befinnande läge vilket satte grund för arbetet. Produktspecifikationen skapade klarhet av vad termosen ska uppfylla och blev ett värdefullt verktyg att nyttja. Konceptgenereringen skapade ett underlag av olika lösningsalternativ vilket sedan med metodik sållades bort i konceptvalet. Därmed erhölls tillräcklig arbete för nästkommande vidareutveckling fas. Processen strukturerade ett aktivitetsflöde att arbeta mot som hela tiden byggde på varandra, därav användbara verktyg att nyttja som skapade systematik för att uppnå resultat.