1
Akademi for Innovation, Design and Teknik
Omdimensionering av
instrument för mätning av
vindhastighet
Examensarbete
Avancerad nivå, 15 HP
Produkt- & Processutveckling
Fredrik Eriksson
Rapport nr:
Handledare, företag: Kalle Wikmyr
Handledare, Mälardalens högskola: Barrett Sauter Examinator: Janne Carlsson
2 ABSTRACT
The ever-growing demand for renewable energy leads to an increased need for innovation in the green energy sector. One of the available alternatives, wind power, have seen a global increase in usage with few signs of slowing down. To increase the efficiency of individual turbines, correct placement is crucial. One technology that uses sound to find optimal locations for wind turbines is Sonic Detection and Ranging, SODAR.
AQ system manufacture and deliver SODAR-systems internationally. The size of the system created by AQs limit the locations which the system can measure wind. Occasionally this forces measurement to be made away from the location in question which potentially reduce the efficiency of the future wind turbine. This study aims to create a concept for a smaller version of the SODAR-system manufactured by AQs. A smaller system would allow wind measurement in more remote, hard to reach locations which in turn would increase precision of the measurements and potentially efficiency of wind turbines.
Tools from Ulrich & Eppingers product development process was used to generate, screen, and evaluate concepts throughout the study. By changing the geometry and positioning of individual components in the system the height was reduced by 49,7% and width by 32,8%. An even smaller concept could be presented if more focus was put on the base of the product.
Many factors that could impact the function of the product have been ignored in this study. Based on the specifications put up for this project the concept could theoretically perform as the original AQ510. Considering that relevant factors have been ignored, the function of the concept cannot be guaranteed. The tools and methods used in the product development process facilitated the development and made it possible to present a concept within the time frame. The conclusion is that, based on the specifications presented, the concept reached the goals put up for the project but to be able to guarantee the performance of the concept, measurements and tests are needed.
3 SAMMANFATTNING
Den ökande efterfrågan av förnyelsebar energi skapar ett behov för nya innovationer inom den miljövänliga energisektorn. Användning av ett av alternativen i form av vindkraft har på senare tid ökat internationellt. En av faktorerna som har stor påverkan på effektiviteten av vindkraftverk är vart det placeras. En teknik, som använder ljud, för att hitta platser där vindkraftverk kan generera mycket energi är SODAR vilket står för Sonic Detection and Ranging.
En tillverkare av SODAR-system, AQ system, levererar vindmätningssystem över hela världen vid namn AQ510. Storleken av det system som AQs levererar begränsar vilka platser systemet kan mäta på. Det kan ibland resultera i att systemet måste placeras längre ifrån den plats där ett vindkraftverk planeras placeras. Vindprofiler kan variera kraftigt mellan korta distanser och felaktiga data kan leda till att vindkraftverk placeras på mindre effektiva platser. Den här studien fokuserar på att presentera ett koncept av AQs produkt i mindre storlek genom att ändra dimensioner på produktens komponenter. En mindre produkt skulle tillåta mätningar på mer svåråtkomliga platser vilket kan leda till mätningar av vindprofiler som är mer överensstämmande med verkligheten. Detta kan i sin tur resultera i att vindkraftverk kan placeras på platser där mer energi kan genereras.
Verktyg från Ulrich & Eppingers produktutvecklingsprocess används för att generera, sålla bland och utvärdera koncept genom studiens gång. Koncepten grundas på produkten AQ510s komponenter och störst fokus har legat på att uppnå målspecifikationerna att uppnå samma pulsvolym som AQ510 med annan dimensionering på parabolerna som reflekterar ljudvågorna upp i atmosfären. Pulsvolymen på produkten AQ510 tas fram med hjälp av ljudvågssimuleringar. Genom att ändra geometri och positionering på kon, parabol, kobra och stöd presenteras ett resultat i form av ett koncept som är 49,7% lägre och 32,8% smalare än produkten från AQ system. Ett koncept som är ännu mindre kan tas fram men samtliga komponenter låg inte i fokus i detta arbete vilken förhindrar att konceptet blir mindre.
Många faktorer som eventuellt kan påverka funktionen på produkten har ignorerats i arbetet. Baserat på avgränsningar som har gjorts når konceptet uppsatta målspecifikationer men att konceptet fungerar går inte att säga med säkerhet. Verktygen och metoder som används i arbetet gjorde arbetet strukturerat och ledde till att ett koncept kunde presenteras inom tidsramen. Som slutsats anses det koncept som presenteras nå målspecifikationerna men fler undersökningar och exakta mätningar måste genomföras för att kunna säga om konceptet skulle fungera som AQ510 gör.
4 FÖRORD
Först och främst vill jag tacka samtliga på AQ system som varit hjälpsamma och tillmötesgående under arbetets gång. Ett extra tack till handledare på AQs Kalle Wikmyr vars expertis kommit till stor nytta.
Ett stort tack till min handledare på MDH, Barrett Sauter, som hjälpt till med strukturerande av både projekt och rapportskrivande. Hennes kunskap och erfarenhet har kommit till stor hjälp under arbetets gång.
5 FÖRKORTNINGAR
DiVA Digitala Vetenskapliga Arkivet
FWHM Full Width Half Maximum
SODAR Sonic Detection and Ranging
6
Innehållsförteckning
1. INLEDNING ... 11 1.1. BAKGRUND ... 11 1.2. PROBLEMFORMULERING... 11 1.3. SYFTE OCH MÅL ... 12 1.4. FRÅGESTÄLLNINGAR ... 12 1.5. AVGRÄNSNINGAR ... 12 2. METOD ... 13 2.1. LITTERATURSTUDIE ... 13 2.2. ANALYS AV DATA ... 14 2.3. DISKUSSION ... 14 2.4. DATORVERKTYG ... 14 2.5. FUNKTIONSANALYS ... 14 2.6. PRODUKTUTVECKLINGSPROCESS ... 14 2.7. KONCEPTUTVECKLINGSPROCESSEN ... 15 2.7.1. UPPRÄTTA MÅLSPECIFIKATIONER ... 15 2.7.2. GENERERA PRODUKTKONCEPT ... 15 2.7.3. VÄLJA PRODUKTKONCEPT ... 16 2.7.4. TESTA PRODUKTKONCEPT ... 172.7.5. UPPRÄTTA SLUTLIGA MÅLSPECIFIKATIONER ... 18
2.8. VALIDITET OCH RELIABILITET ... 18
3. TEORETISK REFERENSRAM ... 20 3.1. PRODUKTUTVECKLING ... 20 3.1.1. FUNKTIONSANALYS ... 20 3.1.2. PRODUKTUTVECKLINGSPROCESSEN ... 20 3.1.3. KONCEPTUTVECKLINGSPROCESSEN ... 20 3.1.4. UPPRÄTTA MÅLSPECIFIKATIONER ... 21
7 3.1.5. GENERERA PRODUKTKONCEPT ... 22 3.1.6. BRAINSTORMING ... 22 3.1.7. MORFOLOGISK KARTA... 23 3.1.8. VÄLJA PRODUKTKONCEPT ... 23 3.1.9. TESTA PRODUKTKONCEPT ... 25
3.1.10. UPPRÄTTA SLUTLIGA SPECIFIKATIONER ... 26
3.2. PRODUKTUTVÄRDERING... 26
3.2.1. DFC-DESIGN FOR COST ... 26
3.2.2. DFE–DESIGN FOR ENVIRONMENT ... 26
3.2.3. DFA-DESIGN FOR ASSEMBLY ... 27
3.3. SODAR-TEORI ... 27
3.3.1. SÄNDARE OCH MOTTAGARE ... 27
3.3.1.1.BISTATISK OCH MONOSTATISK ... 28
3.3.1.2.HORISONTELL UPPSTÄLLNING OCH PARABOLANTENN ... 28
3.3.2. BRÄNNPUNKTSLÄNGD ... 29 3.3.3. PULSVOLYM ... 30 3.3.4. FREKVENS PÅ LJUDVÅGOR ... 31 4. EMPIRI ... 32 4.1. FUNKTIONSANALYS AQ510 ... 32 4.2. ANTENNGEOMETRI ... 33 4.2.1. HÖGTALARE ... 34 4.2.2. KON ... 34 4.2.3. PARABOL ... 35 4.2.4. STÖD ... 36 4.2.5. KRONA ... 36 4.2.6. KOBRA ... 37 4.3. PULSVOLYM AQ510 ... 37 4.4. BRÄNNPUNKTSLÄNGD AQ510 ... 38 4.5. UPPRÄTTA MÅLSPECIFIKATIONER ... 38
8
4.5.1. MÅL ... 38
4.5.2. LISTA ÖVER EGENSKAPER ... 39
4.5.3. BEHOVS-EGENSKAPSMATRIS ... 40 4.5.4. SAMMANFATTNING MÅLSPECIFIKATIONER ... 41 4.6. GENERERA PRODUKTKONCEPT ... 41 4.6.1. BRAINSTORMING ... 42 4.6.2. KONCEPTKLASSIFIKATIONSTRÄD ... 43 4.6.1. MORFOLOGISK KARTA... 43 4.7. VÄLJA PRODUKTKONCEPT ... 44 4.7.1. PUGH´S KONCEPTSÅLLNINGSMATRIS ... 45 4.7.1. KONCEPTPOÄNGSSÄTTNINGSMATRIS ... 46 4.7.2. VIDAREUTVECKLING AV KONCEPT ... 47 5. RESULTAT ... 48 5.1. FORSKNINGSFRÅGA 1 ... 48 5.2. FORSKNINGSFRÅGA 2 ... 49 6. ANALYS... 51 6.1. GENOMFÖRANDE ... 51 6.2. RESULTAT ... 51 7. SLUTSATSER ... 53 8. VIDARE STUDIER ... 53 9. REFERENCES ... 54
9
Figurförteckning
Figur 1 : Litteratursökningsprocess enligt Bryman (2018)
Figur 2 : Modifierad konceptutvecklingsprocess från Ulrich & Eppinger (2012) Figur 3 : Ulrich och Eppingers (2012) produktutvecklingsprocess
Figur 4 : Ullrich och Eppingers (2012) konceptutvecklingsprocess Figur 5 : Exempel på lista över egenskaper
Figur 6 : Exempel på behovs-egenskapsmatris Figur 7 : Morfologisk karta
Figur 8 : Poängsättning från Ulrich och Eppinger (2012) Figur 9 : Bi- och monostatiska system
Figur 10 : Horisontell uppställning av högtalare Figur 11 : Exempel på fasstyrd SODAR-uppställning Figur 12 : Horisontell parabol
Figur 13 : Offset-monterade högtalare
Figur 14 : Visualisering av pulsvolym (Bradley, 2007) Figur 15 : AQ510 i olika miljöer (AQ system, 2019) Figur 16 : Funktionsanalys AQ510
Figur 17 : Delkomponenter AQ510 Figur 18 : Högtalare AQ510
Figur 19 : Kon AQ510
Figur 20 : Parabol dimensioner Figur 21 : Parabol fokuspunkt Figur 22 : Stöd AQ510
Figur 23 : Krona AQ510 Figur 24 : Kobra AQ510
10 Figur 25 : Ljudlob AQ510
Figur 26 ; Parabolutformning AQ510
Figur 27 : Delmoment i fokus från konceptutvecklingsprocess Figur 28 : Delmoment i fokus från konceptutvecklingsprocess Figur 29 : Horisontellt parabolkoncept
Figur 30 : Fasstyrt koncept Figur 31 : Bistatiskt koncept
Figur 32 : Konceptklassifikationsträd Figur 33 : Morfologisk karta
Figur 34 : Delmoment i fokus från konceptutvecklingsprocess Figur 35 : Simulering parabolutformning
Figur 36 : Simulering geometri kon Figur 37 : Renderad bild av koncept Figur 38 : Konceptbilder
Figur 39 : Antenngeometri, AQ510 till vänster, koncept till höger
Figur 40 : Dimensionering system, AQ510 till vänster, koncept till höger
Tabellförteckning
Tabell 1 : Frekvens påverkan på bredd på huvudsignal (Piper, 2010) Tabell 2 : Lista över egenskaper
Tabell 3 : Behovs-egenskapsmatris
Tabell 4 : Pugh´s konceptutvecklingsprocess Tabell 5 : Konceptpoängssättningsprocess Tabell 6 : Resultat från arbete
11
1. INLEDNING
I följande kapitel presenteras studiens bakgrund, problemformulering, syfte och mål, frågeställningar samt avgränsningar som ligger för grund till studien.
1.1. Bakgrund
SODAR, Sonic Detection and Ranging, är teknik som använder ljudvågor för att mäta vindhastighet, vindriktning och turbulenskaraktär. SODAR-system genererar ljudvågor i olika frekvenser som påverkas av temperaturfluktuationer och turbulens i atmosfären. Ljudvågorna eko tas upp och genom dopplereffekten kan algoritmer skapa en vindprofil (Bradley, 2007). Tekniken har ett flertal användningsområden som tillexempel vindmätning i komplexa terränger, gravitationsvågor samt kust- och havsbriscirkulationer. Mätning genom SODAR är mindre resurskrävande och skapar noggrannare data än traditionella mekaniska vindmätare, anemometrar (Crescenti, 1996).
AQ Systems grundades 1989 av Mats Hurtig som under 1970-talet första SODAR-tekniken i Europa tillsammans med ett team på Totalförsvarets forskningsinstitut, FOI. Företaget startades med målet att erbjuda instrument baserade på SODAR-tekniken för övervakning av vind och turbulens huvudsakligen inriktat mot vindenergimarknaden. Första generationens produkt, AQ500, lanserades under tidigt 2000-tal och företagets initiala framgång kom under den svenska storsatsningen på vindkraft senare samma tiotal. Under senaste decenniet introducerades nya generationens produkt, alternativ strömförsörjning togs fram samt att företaget gjorde en satsning på internationella marknaden. Inga konkurrenter som använder SODAR-teknik finns på marknaden men alternativ teknik finns i form av LIDAR, Light Detection and Ranging, som mäter med ljus (AQ System, 2019).
AQ510 är AQ Systems andra generations produkt som lanserades 2014. Det finns fyra varianter av AQ510 anpassade för olika miljöer i form av Stand Alone, Warm Winter, Mild Winter och Cold Winter. Produkten mäter vindhastighet, vindriktning och turbulens på höjder mellan 40 – 200 meter med en noggrannhet på mellan 85% – 98% beroende på mätaltitud och variant av produkt. AQ510 säljs primärt för vindmätning för vindenergi och är mobil vilket skapar flexibilitet i vart mätningar kan utföras. En kritisk fördel med produkten ställt mot anemometrar, bortsett från noggrannhet och att den är mindre kostsam, är att AQ510 klarar av alla olika miljöer och har en egen energikälla i form av antingen solceller eller en diselgenerator (AQ System, 2019).
1.2. Problemformulering
AQ510’s mobilitet skapar möjligheter för mätning vid annars svåråtkomliga platser. Dock skapar produktens storlek begränsningar i vart den kan placeras. Produkten transporteras med hjälp av en släpkärra vilket leder till att mätningar i mindre tillåtande terräng inte är möjligt. Då vindkraftverk ofta placeras i avlägsen och svårtillgänglig miljö skapar storleken på AQ510 problem. Produkten måste då placeras på närmsta möjliga plats dit transport av systemet är
12
möjlig vilket kan leda till att mätdata inte är korrekt. För att skapa en vindprofil nära överensstämmande med verkligheten bör produkten ställas på eller nära den plats där vindkraftverk ska placeras. Specifikationer som använts i första generationens produkt, AQ500, har bestått och varför produkten är designad som den är kan inte fullt motiveras. För att kunna ta beslut kring dimensionering av nästa generations produkt behövs en ökad förståelse kring hur alternativ dimensionering av komponenter påverkar produktens prestanda. Företaget har tidigare försökt skala ner samtliga komponenter 50% vilket resulterade i att datatillgängligheten inte uppnått kraven.
1.3. Syfte och mål
Syftet med denna studie är att undersöka produkten AQ510s geometriska utformning för att öka förståelse kring systemet. När förståelse för produkten skapats, med hjälp av verktyg från Ulrich och Eppingers (2012) produktutvecklingsprocess, presentera ett koncept mindre än AQ510 utan att begränsa funktionen.
Målet är att presentera ett koncept som i teori uppnår samma mätvärden som AQ510 men samtidigt minskar storleken på produkten med 35%.
1.4. Frågeställningar
För att uppnå studiens syfte och mål presenteras nedanstående frågor som stöd för studien. • F1: Hur kan en mindre variant av AQ510 med samma funktion utformas?
• F2: Till vilken grad kan storleken på AQ510 minskas utan att begränsa funktionen? 1.5. Avgränsningar
• Koncept som enligt teori kan behålla funktionen kommer presenteras • Information kring produkten och specifikationer erhålls från företaget • Geometrisk utformning på mekaniska komponenter ligger i fokus • Kunders krav på produkten formuleras av företaget
13
2. METOD
I detta kapitel presenteras metoder och verktyg som använts i arbetet.
2.1. Litteraturstudie
Litteratursökning kommer genomföras kontinuerligt och baseras på Brymans (2018) tillvägagångssätt för litteratursökning. Figur 1 visar de fem stegen genomförda i litteratursökningen. Initialt formuleras en generell frågeställning och ur frågeställningen skapas nyckelord. Nyckelorden kommer användas för att hitta litteratur på digitala sökmotorer och på tillgängliga bibliotek. Litteraturens sammanfattningar kommer läsas och om litteraturen anses vara relevant sparas den. Den litteratur som samlats in kommer sedan läsas utförligt, där anteckningar förs och nyckelord sparas, för att sålla bort litteratur som inte är relevant för arbetet. Baserat på anteckningar, nyckelord och referenser använda i litteraturen som tagits fram under litteraturläsningen kommer vidare sökning att genomföras. Detta görs tills en teoretisk mättnad uppnåtts.
Litteratsökning kommer delas upp i tre fokusämnen i form
av SODAR-teori, produktutvecklingsprocessen och forskningsmetodik. Kring ämnena kommer ett antal böcker huvudsakligen användas. Teori kring SODAR-system hämtas till stor del, men inte uteslutande, från Stuart Bradleys (2007) bok ”Atmospheric Acoustic Remote Sensoring” samt Benjamin Pipers (2010) doktorsavhandling ”SODAR Comparison Methods for Compatible Wind Speed Estimation”. Produktutvecklingsprocessen som kommer användas följer processen presenterad i ”Produktutveckling: Konstruktion och Design” (Ulrich & Eppinger, 2012). Som stöd används även verktyg och förhållningssätt från Ullmans (2017) ”Produktutveckling: Konstruktion och Design”. Forskningsmetodiken kommer baseras på verktyg och metoder ur boken ”Samhällsvetenskapliga metoder” (Bryman, 2018).
Utöver ovannämnda böcker kommer kompletterande litteratur huvudsakligen hämtas från vetenskapliga artiklar och böcker. Digitala sökmotorer som kommer användas är ScienceDirect, Google Scholar, Jstor och DiVA. Böcker kommer hämtas från Mälardalens högskolebibliotek samt biblioteket i Haninge.
Nyckelord som används vid litteratursökning är följande:
SODAR, SODAR design, Remote acoustic sensing, produktutveckling, produktdesign, produktutvecklingsverktyg, product development, product design, product development tools.
Figur 1 : Litteratursökningsprocess enligt Bryman (2018)
14 2.2. Analys av data
Litteraturen som samlas in kommer analyseras genom verktyg från Grounded Theory i form av teoretiskt urval, kodning, teoretisk mättnad och kontinuerliga jämförelser. Den teoretiska urvalsprocessen beskrivs ovan. Kodningen genomförs systematiskt där relevant data kommer tilldelas en färg beroende på ämnet det berör. Exempel på detta kan vara att materialval får en färg och design av komponenter får en annan. Detta kommer göras tills en teoretisk mättnad uppnåtts. Datainsamlingen kommer hanteras iterativt där jämförelser mellan insamlade data genomförs kontinuerligt (Bryman, 2018).
2.3. Diskussion
Gruppdiskussioner kommer kontinuerligt genomföras med handledare från företaget, handledare från skola samt studenter som parallellt skriver examensarbete inom samma ämne. Under dessa tillfällen kommer pulskontroller göras där arbetets gång reflekteras över och planering för framtida arbete genomförs. Diskussionerna kommer genomföras för att få in perspektiv kring arbetet från personer med liknande kunskapsgrund och genom det bryta tunnelseendet som kan uppstå vid projektarbete under en längre period. Syftet är även att under projektets gång med hjälp av diskussioner skapa avgränsningar och sätta genomförbara mål (Bryman, 2018) (Payne & Payne, 2004).
2.4. Datorverktyg
Verktyg som kommer användas är CAD-programmet Solidworks. Programmet används för att skapa 3D-modeller för att kunna utvärdera och presentera koncept. Ray Optics simulation har använts för att simulera hur geometrisk utformning påverkar vågors beteende.
2.5. Funktionsanalys
För att kartlägga produkten AQ510 och definiera dess funktion kommer en funktionsanalys genomföras. För att kunna bryta ner produkten i delfunktioner kommer produktens övergripande funktion först definieras. Övergripande funktionen kommer beskrivas med en enkel mening som tydligt beskriver hur produkten uppfyller kundernas önskemål. När funktionen beskrivits kommer den brytas ner i delfunktioner som beskriver komponenters funktioner. Då samtliga delfunktioner formulerats kommer de placeras i logisk ordning. Slutligen kommer ett delmoment av produktens funktion väljas som fokusämne.
2.6. Produktutvecklingsprocess
Produktutvecklingsprocessen som kommer följas i studien är baserad på delar av Ulrich och Eppingers (2012) produktutvecklingsprocess. Hela produktutvecklingsprocessen kommer inte att användas i studien utan fokus kommer huvudsakligen läggas på andra fasen, konceptutveckling. Om tidsramen tillåter kommer konceptet utvecklas på detaljnivå. Eftersom processen är en inkrementell förbättring av en befintlig produkt kommer verktyg från planeringsfasen inte beröras då uppdragsbeskrivningen redan är formulerad.
15 2.7. Konceptutvecklingsprocessen
Konceptutvecklingsprocessen delas upp i sju olika delmoment och fem av de åtta delmoment kommer hanteras i denna studie. Figur 2 visar delmomenten där rödmarkerade exkluderas från processen. Identifiering av kundbehov kommer inte göras eftersom behoven redan är
formulerade av produktbeställaren. Planering inför nästkommande steg i
produktutvecklingsprocessen hanteras som förslag för vidare studier. Kontinuerlig benchmarking med AQ510 som referensprodukt kommer genomföras. Ekonomiska analyser och prototypskapande kommer uteslutas.
2.7.1. Upprätta målspecifikationer
För att bryta ner produkten i egenskaper kommer en lista över egenskaper skapas. Flera komponenter i produkten kan ha en påverkan på samma egenskap. Kundbehoven hos produkten i fråga ska vara specifika mätbara värden. För att kunna behålla funktionen hos AQ510 kommer funktionen behöva definieras genom mätbara specifikationer. När specifikationer som definierar funktionen hittats kommer de användas som målspecifikation. Eftersom det inte finns konkurrerande produkter på marknaden kommer tidigare modellen, AQ510, användas som referensprodukt. När listan för egenskaper formulerats kommer en behov-egenskapsmatris skapas för att se förhållanden mellan egenskaper och behov. Processen kommer sedan att reflekteras över följt av att behov-egenskapsmatrisen används som stöd för att upprätta målspecifikationer nödvändiga för nästkommande moment.
2.7.2. Generera produktkoncept
Generering av produktkoncept kommer göras i fem olika steg. Stegen kommer vara att klargöra
problemet, söka externt, söka internt, utforska systematiskt samt reflektera över lösningar och processen. Metod som kommer användas för konceptgenereringen är brainstorming samt
morfologisk karta.
Klargöra problemet: Produkten är komplex och kommer därför med hjälp brytas ner för att göra
helheten mer lätthanterlig. För att inte i tidigt stadie begränsa kreativiteten i konceptgenerering kommer ingen diskussion med anställda på företaget genomföras först än en mättnad uppnåtts.
Söka externt: Utförlig litteratursökning kommer genomföras för att skapa förståelse för hur
produktens teknik fungerar. Detta för att se vilka designkoncept som är relevanta. Undersökning av liknande produkter kommer vara relativt begränsad då det inte existerar många produkter Figur 2 : Modifierad konceptutvecklingsprocess från Ulrich & Eppinger (2012)
16
ansedda för samma användningsområde som produkten i fokus. Produkter som använder samma teknik fast i andra användningsområden existerar och de kommer studeras för att eventuellt hitta inspiration. Företaget har sen tidigare haft kontakt med forskare inom området på Uppsala Universitet och de kommer kontaktas för att få information.
Söka internt: Företaget har erfarenhet kring produkten och tidigare försök att omdimensionera
produkten har genomförts. Kompetensen inom företaget kommer i detta arbete att nyttjas. För att få in de kompetenser som finns inom företaget kommer gemensamma möten hållas där diskussioner kring eventuella koncept kommer diskuteras.
Utforska systematiskt: Genom extern- och intern sökning kommer olika koncept presenteras. För
att systematisk navigera mellan de koncept som tagits fram och gallra bort de koncept som inte är genomförbara kommer ettkonceptklassifikationsträdskapas.
Reflektera över lösningar och processen: Reflektion kommer kontinuerligt genomföras under
konceptgenereringsprocessen. För att kunna gå vidare i processen kommer en noggrann reflektion göras i slutet av processen.
2.7.3. Välja produktkoncept
För att på ett resurseffektivt sätt sålla mellan koncept kommer två olika konceptsållningsmatriser användas i form av Pughs konceptvalsmartris och konceptpoängsättningsmatris.
Pughs konceptvalsmatris: Pughs konceptvalsmatris kommer delas upp i sex olika delmoment
vilka är förbereda konceptvalsmatrisen, betygsätta koncepten, rangordna koncepten, kombinera
och förbättra koncepten, välja ett eller flera koncept samt reflektera över resultaten och processen.
Förbereda konceptvalsmatrisen: Koncept som tidigare genererats kommer presenteras för
handledare på företaget i form av enkla skisser. Matrisen kommer skapas på ett fysiskt medium i form av ett A3 papper. Urvalskriterierna kommer baseras på tidigare framtagna målspecifikationer och produkten AQ510 kommer användas som referensprodukt.
Betygsätta koncepten: Eftersom koncepten enkelt kommer presenteras kommer ingen
djupgående analys av hur koncepten står sig mot referensprodukten att göras. En allmän känsla kommer ligga som grund för betygsättningen. Eftersom målet med produkten är att uppnå samma prestanda som referensprodukten kommer ett likvärdigt betyg anses som mer än godkänt. Objektiva värden kommer att hanteras vilket förenklar betygssättningen.
Rangordna koncepten: När samtliga koncept betygssatts sammanställs betygen för att sedan
rangordnas. I en traditionell konceptvalsmatris kan betyg lägre än eller samma som referensprodukten anses negativt. Då målet är att eftersträva prestandan av AQ510 kommer betyget noll eller till och med negativt betyg anses vara ett relevant koncept att gå vidare med.
Kombinera och förbättra koncepten: Om koncept får bra resultat under vissa kolumner och sämre
under andra kommer koncept kombineras och förbättras för att eventuellt skapa bättre lösningar. Processen att kombinera koncept kan vara problematisk då dimensionering av komponenter i olika koncept kan var baserade på relativ storlek till andra komponenter.
17
Välja ett eller flera koncept: När koncepten har kombinerats och förbättras kommer de koncept
som fått bäst resultat tas vidare. Beroende av konceptens komplexitet och mängd tid tillgänglig kommer ett eller flera koncept väljas.
Reflektera över resultaten och processen: För att säkerställa att rätt koncept har tagits vidare
kommer konceptvalsmatrisens process analyseras. Detta görs för att se att beslut och betygsättning genomförts enligt verktygets riktlinjer.
Konceptpoängsättningsmatris: Koncepten från första konceptsållningsmatrisen som har
förbättrats och kombinerats kommer sedan genomgå en konceptpoängsättningsmatris. Matrisen kommer följa sex steg vilka är att förbereda konceptvalsmatrisen, poängsätta koncepten,
rangordna koncepten, kombinera och förbättra koncepten, välja ett eller flera koncept samt reflektera över resultaten och processen.
Förbereda konceptvalsmatrisen: Ett fysiskt medium kommer skapas för att enkelt kunna
dokumentera och redigera i. När matrisen är komplett kommer resultatet läggas in i ett Exceldokument för att kunna genomföra nödvändiga kalkyler. Koncepten kommer i denna fas presenteras i mer detalj än i föregående konceptsållningsmatris. Urvalskriterierna kommer att viktas baserat på deras betydelsevärde. Fler anställda i företaget kommer inkluderas i viktandet av urvalskriterierna för att få in fler kompetenser.
Poängsätta koncepten: Koncepten poängsätts sedan av teamet där urvalskriterierna hanteras en
i taget. Produkten AQ510 kommer användas som referensprodukt. Eftersom samma prestanda som referensprodukten är ett mål kommer ett medelbetyg hanteras som godkänt.
Rangordna koncepten: Koncepten kommer rangordnas efter de betyg som tilldelats.
Kombinera och förbättra koncepten: Om fler koncept fått liknande betyg alternativt att något
koncept har brister vid olika urvalskriterier kommer koncept kombineras. Koncepten kommer även ses över för att senare förbättras.
Välja ett eller flera koncept: När koncept förbättras och eventuellt kombinerats kommer endast
ett koncept tas vidare. Beslutet görs tillsammans med teamet och baseras på poängsättningen. Om fler koncept anses vara relevanta kan koncept sparas för eventuell vidareutveckling i framtiden.
Reflektera över resultat och processen: Slutligen kommer reflektioner göras över processens
gång för att säkerställa att den genomförts korrekt. 2.7.4. Testa produktkoncept
När ett koncept har valts kommer testning av produktkonceptet genomföras. Kunderna i detta arbete är företaget. Koncepttestningen delas upp sju delmoment i form av att definiera syftet med
koncepttestet, välja en undersökningspopulation för testet, välja ett angreppssätt för testet, kommunicera konceptet, mäta kundrespons, tolka resultaten samt reflektera över resultat och processen.
18
Definiera syftet med koncepttestet: Syftet med testning av produkten är att presentera konceptet
för samtliga i företaget. Flera anställda kommer ha deltagit i konceptsållningen och kommer därför redan ha full förståelse för konceptet.
Välja en undersökningspopulation för testet: Undersökningen kommer genomföras både på
anställda på företaget som inte deltagit i processen samt anställda som har deltagit. Inget urval kommer därför behöva göras.
Välja ett angreppssätt för testet: Eftersom möjligheten finns att genomföra testet genom
personlig interaktion kommer det angreppssättet väljas.
Kommunicera konceptet: Konceptet kommer kommuniceras genom CAD-modeller, ritningar
och renderingar.
Mäta kundrespons: Djupgående diskussioner kring funktioner och designval kommer ligga som
grund för mätningen av kundrespons. Anställda kommer få komma med tankar och frågor kring konceptets funktionalitet och prestanda. Responsen kommer antecknas för att senare kunna utvärdera.
Tolka resultaten: Eventuell problematik kommer gemensamt hanteras för att se ifall förändringar
kan göras för att undvika problemen.
Reflektera över resultat och processen: Slutligen reflekteras processen över för att se ifall delmoment har genomförts felaktigt och ifall resultaten har tolkats korrekt.
2.7.5. Upprätta slutliga målspecifikationer
När koncepten har gått igenom samtliga sållningsverktyg och endast ett koncept valts och testats för vidareutveckling kommer slutliga specifikationer att upprättas. Det vinnande konceptet kommer vara relativt enkelt beskrivet och kommer i denna fas beskrivas mer detaljerat. Dimensionering, val och placering av komponenter kommer i detta stadie vidare utvecklas på detaljnivå om tiden tillåter. Slutligen tas beslut ifall konceptet är värt att gå vidare med eller inte.
2.8. Validitet och Reliabilitet
Validitet och reliabilitet kontrollerar att det resultat som presenteras i studien representerar verkligheten och att studien håller generell hög kvalitet. Validiteten avser hur vida forskaren mäter det som hen avsett att mäta. Reliabilitet avser ifall liknande resultat hade uppnåtts ifall studien genomfördes igen. Förenklat handlar validitet om att rätt sak mäts medan reliabilitet fokuserar på att hur bra det har uppmätts (Olsson & Sörensen, 2011) (Bryman, 2018).
Datainsamling som komma ligga som grund för beslutstagande i arbetet kommer huvudsakligen vara sekundärdata i form av relevant litteratur. Produktspecifikationer och information kring produkten kommer samlas in direkt från anställda på företaget. SODAR-system är ett relativt snävt område och eftersom produktutvecklingsprocessen är anpassad efter en produkt som både har unika specifikationer och ett unikt användningsområde kan resultat inte generaliseras. Eftersom många ytterst relevanta faktorer inte hanteras i arbetet finns det risk att resultatet är inaktuellt.
19
Metoden som följts under arbetets gång är baserad på Ulrich och Eppingers (2012) produktutvecklingsprocess och är formulerad under metodavsnittet. Problematik uppstår då samtliga steg av processen inte har följts utan verktyg selektivt har valts ut för att passa tidsramen och tillgängliga resurser. Eftersom produktutvecklingsprocessen är en kreativ process kommer liknande resultat troligtvis inte uppnås om metoden genomförs på nytt.
20
3. TEORETISK REFERENSRAM
I detta kapitel presenteras den teoretiska referensram som studien grundas på.
3.1. Produktutveckling
Kapitel 3.1 beskrivs teori kring de metoder och verktyg som använts under produktutvecklingsprocessen
3.1.1. Funktionsanalys
För att skapa en översiktlig bild över en komplex produkt och bryta ner en dess funktion i mer lätthanterliga delfunktioner kan en funktionsanalys genomföras. En funktionsanalys kan användas för att kunna kartlägga produktens funktioner och underlätta beslutstagande kring i en produktutvecklingsprocess. Produktens huvudfunktion beskrivs först med helst en mening som tydligt beskriver produktens värdeskapande. Produktens delas sedan upp i delfunktioner där delfunktioner beskrivs som när en komponent antingen har ändrat tillstånd eller överför energi, information eller material till en annan komponent. Då samtliga delfunktioner definierats placeras det i logisk ordning. En funktionsanalys kan tydligt visualisera samtliga delfunktioner och vilket leder till en bättre förståelse för produktens funktion (Ullman, 2017).
3.1.2. Produktutvecklingsprocessen
Ulrich och Eppinger (2012) delar upp produktutvecklingsprocessen i sex olika faser i form av planering, konceptutveckling, utveckling på systemnivå, detaljutveckling, testning och vidareutveckling samt produktionsupptakt. Figur 3 visar stegen i produktutvecklingsprocessen. Genom verktyg och metoder kan produktutvecklingsprocessen användas för att effektivisera och optimera produktkvaliteten, produktkostnad, utvecklingstid, utvecklingskostnad och utvecklingskapacitet.
3.1.3. Konceptutvecklingsprocessen
Andra fasen i produktutvecklingsprocessen är konceptutveckling där målet är att ta fram ett slutligt koncept för att vidareutveckla i processen. Konceptutvecklingsprocessen delas upp i sju olika delmoment (Ulrich & Eppinger, 2012) . Momenten består av att identifiera kundbehov, upprätta målspecifikationer, generera produktkoncept, välja produktkoncept, testa produktkoncept, upprätta slutliga specifikationer samt planera efter steg i utvecklingsprocessen. Figur 3 : Ulrich och Eppingers (2012) produktutvecklingsprocess
21
Figur 4 visar konceptutvecklingsprocessens sju steg. Enligt Ulrich och Eppinger bör ekonomiska analyser, benchmarking och prototypskapande kontinuerligt genomföras i samtliga faser.
Figur 4 : Ullrich och Eppingers (2012) konceptutvecklingsprocess
3.1.4. Upprätta målspecifikationer
För att formulera målspecifikationer för produkten i fokus används två verktyg i form av lista över egenskaper samt behovs-egenskapsmatris. Lista över egenskaper listar upp mätbara egenskaper, dess betydelsefaktor samt relevanta enheter för egenskaperna. Exempel på en lista över egenskaper visas i figur 5. När samtliga egenskaper har formulerats, betygsatts och fått en enhet skapas en behovs-egenskapsmatris. I behovs-egenskapsmatrisen ställs egenskaperna mot kundbehoven för att tydligt se förhållandet mellan de två. Exempel på en behovs-egenskapsmatris visas i figur 6. Ulrich och Eppinger (2012) menar att de mest användbara egenskaperna är de som direkt speglar graden av produktens tillfredställelse av kundbehov.
22 3.1.5. Generera produktkoncept
Produktgenereringsprocessen delas, av Ulrich och Eppinger (2012), upp i fem steg i form av att
klargöra problemet, söka externt, söka internt, utforska systematiskt och reflektera över lösningar och processen.
Klargöra problemet: För att skapa en allmän förståelse för problemet bör problemet brytas ner.
Nedbrytning av problemet leder till att det blir mer lätthanterligt. När problemet bryts ner i mindre delar fokuseras det inledande arbetet på de delproblem som anses vara viktigast.
Söka externt: Ulrich och Eppinger (2012) nämner att i den externa sökningen ingår sökning inom
relevant litteratur, studera befintliga lösningar och konsultation från experter inom området. Skribenterna tar även upp att intervjuer av spetsanvändare kan ge en inblick i behov som endast erfarna användare av produkten har.
Söka internt: Det är kritiskt att utnyttja den kompetens som finns inom företaget. Generering kan
göras individuellt och i grupp. Individuellt för att inte begränsa andras tankebanor och i grupp för att kombinera och bygga på varandras koncept.
Utforska systematiskt: För att navigera mellan den mängd koncept som tagits fram från den
externa- och interna sökningen bör en systematisk sortering genomföras. Det kan resultera i att koncept som inte är praktiskt genomförbara tidigt kan sållas bort. Ett verktyg som underlättar den systematiska utforskningen är konceptklassifikationsträdet. Verktyget delar upp koncepten i fragment som på ett resurseffektivt sätt där grupperna delas upp i exempelvis använt material eller teknik.
Reflektera över lösningar och processen: För att kontrollera att processen genomförts utförligt
sker reflektion av processen och lösningarna. Under reflektionen kontrolleras att lösningsrymden undersökts utförligt, att det inte finns fler alternativ till konceptklassifikationsträdet, att nedbrytning av problemet genomförts korrekt samt att externa källor inte behöver kompletteras.
3.1.6. Brainstorming
Brainstorming är en metod för att på ett effektivt sätt generera stor bredd av koncept. Målet med brainstorming är att generera en stor kvantitet av idéer för att skapa en bred samling av idéer att välja ifrån (Ullman, 2017). Wilson (2013) nämner att det finns tre regler vid brainstorming. Reglerna är att en stor kvantitet av idéer leder till att fler idéer med kvalitet genereras. Andra regeln är att inte bara tillåta utan även uppmuntra galna idéer. Galna idéer leder till att kreativare lösningar. Slutligen får det inte finnas någon kritik när det kommer till idéer utan ju galnare idéer desto bättre. Kombinationen av att generera många och galna idéer okritiserat leder till att deltagare tänker utanför boxen och skapar unika lösningar.
23 3.1.7. Morfologisk karta
Morfologiska idégenereringsverktyget delar upp produkten i separata komponenter. En matris skapas där komponenter eller delfunktioner placeras på lodräta kolumnen och alternativ radas upp på den vågräta kolumnen (Österlin, 2007). Figur 7 visar ett exempel på en morfologisk karta. Genom brainstorming tar teamet eller individen fram alternativ kring samtliga delfunktioner. Kombinationer av individuella lösningarna kombineras sedan tills en optimal helhetsfunktion på produkten har identifierats (Richardsson III, Summers, & Mocko, 2011).
3.1.8. Välja produktkoncept
När koncept har genererats nämner Ulrich och Eppinger (2012) vikten av att använda strukturerade metoder för att på ett resurseffektivt och systematiskt sätt sålla bland koncept. Strukturerade metod inkluderar formulerade målspecifikationer vilket minimerar beslutstagande baserade på känslor. Möjlighet finns att koncept favoriseras vilket kan ha en negativ påverkan på konceptsållningen. Konceptsållning kan genomförs med hjälp av två verktyg som är Pughs
konceptvalsmartris och konceptpoängsättningsmatris.
Pughs konceptvalsmatris: För att på ett effektivt sätt sålla bland koncept som tagits fram
använder Ulrich och Eppinger (2012) metoden känd som Pughs konceptvalsmatris. Matrisen delas upp i sex olika delmoment vilka är förbereda konceptvalsmatrisen, betygsätta koncepten,
rangordna koncepten, kombinera och förbättra koncepten, välja ett eller flera koncept samt reflektera över resultaten och processen.
Förbereda konceptvalsmatrisen: För att underlätta hanteringen av matrisen behöver ett fysiskt
medium skapas med storlek anpassad efter mängden deltagare. En matris skapas där koncepten listas på den vågräta kolumnen och urvalskriterier listas på den lodräta. Urvalskriterierna baseras på, i tidigare moment framtagna, målspecifikationer. För att ha någonting att jämföra med ska en referensprodukt inkluderas bland koncepten.
Betygsätta koncepten: Koncepten presenteras grundligt och för detaljerade beskrivningar
undviks. Koncepten betygssätts sedan med antingen bättre än referensprodukten (+), likvärdig med referensprodukten (0) eller sämre än referensprodukten (-).
Rangordna koncepten: När samtliga koncept betygssatts sammanställs betygen för att sedan
rangordnas baserat på betyg.
Kombinera och förbättra koncepten: Beslut tas sedan kring vilka eller vilket koncept som
eventuellt ska utvecklas, kombineras eller inte tas vidare. Koncept som valts att förbättras utvecklas vidare och koncept som har potential men eventuellt har brister kan kombineras.
24
Välja ett eller flera koncept: När koncepten har förbättrats och kombineras tas beslut kring vilka
koncept som ska vidareutvecklas. Ett eller flera koncept väljs beroende på tillgängliga resurser.
Reflektera över resultaten och processen: Resultat och processen reflekteras sedan över för att
säkerställa att samtliga moment genomförts korrekt.
Konceptpoängsättningsmatris: Efter första konceptsållningen genomförts används konceptpoängsmatris för att på ett mer detaljerat sätt sålla bland koncept. Konceptpoängsmatrisen värderar urvalskriterier olika vilket, till skillnad från tidigare sållningsmatris, ger en mer djupgående analys av konceptens potential. Ulrich och Eppinger (2012) delar även upp detta verktyg i sex liknande delprocesser i form av att förbereda
konceptvalsmatrisen, poängsätta koncepten, rangordna koncepten, kombinera och förbättra koncepten, välja ett eller flera koncept samt reflektera över resultaten och processen.
Förbereda konceptvalsmatrisen: För att kunna hantera dokumentation av matrisen skapas ett
medium där kalkyler kan genomföras. På den vågräta kolumnen placeras koncepten samt referensprodukten och på den lodräta kolumnen läggs urvalskriterier. Utvecklade och kombinerade koncept presenteras i detta stadie detaljerat.
Poängsätta koncepten: I detta stadie behöver egenskapernas relevans faktoriseras in. Olika
egenskaper kan ha olika påverkan på kundnöjdheten och det hanteras genom att vikta egenskaperna. Teamet viktar egenskaperna gemensamt och fler inblandade kompetenser leder till en mer utförlig viktning. Koncepten betygsätts på en skala från ett till fem och figur 8 visar de olika betygen.
Figur 8 : Poängsättning från Ulrich och Eppinger (2012)
Rangordna koncepten: Ulrich och Eppinger (2012) presenterar en ekvation för hur
poängsättningen ska beräknas. Ekvationen visas nedan.
𝑆𝑗 = ∑ 𝑟𝑖𝑗× 𝑤𝑖 𝑛
𝑖=1 𝑟𝑖𝑗 = Poängsättning av koncept j för det i:te kriteriet 𝑤𝑖 = Viktning av det i:te kriteriet
𝑛 = 𝐴𝑛𝑡𝑎𝑙 𝑘𝑟𝑖𝑡𝑒𝑟𝑖𝑒𝑟
25
Kombinera och förbättra koncepten: När koncepten betygsatts rangordnas de sedan. Teamet tar
sedan beslut kring ifall koncept ska förbättras eller om fler koncept ska kombineras.
Välja ett eller flera koncept: När koncept har antingen förbättrats eller kombinerats tar teamet
beslut kring vilket eller vilka koncept som ska tas vidare. Ett eller flera koncept kan väljas att vidareutveckla baserat på tillgängliga resurser.
Reflektera över resultat och processen: Processen reflekteras över för att säkerställa att samtliga
moment genomförts utförligt. 3.1.9. Testa produktkoncept
Då produktteamet genomfört konceptgenereringen och ett slutligt koncept valts behöver kundresponsen för koncept utvärderas. Tidigare delmoment i produktutvecklingsprocessen har tagit hänsyn till kunders värderingar men beslut kring ifall processen ska fortsätta kan inte enbart baseras på det. För att se ifall konceptets potential måste konceptet testas mot kunder. Detta är kritiskt att företaget ska kunna ta beslut ifall produktutvecklingen ska fortsätta och finansieras vidare eller avbrytas. Koncepttestningen delas av Ulrich och Eppinger (2012) upp i sju delmoment i form av att definiera syftet med koncepttestet, välja en undersökningspopulation för
testet, välja ett angreppssätt för testet, kommunicera konceptet, mäta kundrespons, tolka resultaten samt reflektera över resultat och processen (Ulrich & Eppinger, 2012).
Definiera syftet med koncepttestet: Syftet av koncepttestet formuleras. Vilket resultat som
förväntas eller vilken aspekt som ska testas behöver formuleras då det påverkar hur testen bör genomföras.
Välja en undersökningspopulation för testet: Målgruppen som undersöks behöver påverkas
genom att göra ett aktivt urval. Beroende på vilka kunder som deltar i undersökningen bör resultatet tolkas annorlunda.
Välja ett angreppssätt för testet: Nästa steg går ut på att välja ett angreppssätt och exempel på
hur testet kan genomföras är personlig interaktion, telefon, post, E-post och internet. Samtliga angreppssätt har olika fördelar och nackdelar. Beroende på om kvalitativa- eller kvantitativa undersökningar är målet finns det verktyg som är mer lätthanterliga.
Kommunicera konceptet: Hur konceptet kommuniceras är kritiskt för att kunden ska få uppleva
produkten. För att komma med relevant respons måste kunden få förståelse för hur produkten fungerar. Konceptet kan kommuniceras via antingen skisser, foton och renderingar, bildmanus, video, simulering, interaktiv multimedia, fysiska utseendemodeller eller funktionsprototyper. Verktyget som på det mest effektiva sättet kommunicerar produktens viktiga detaljer eller funktioner bör användas.
Mäta kundrespons: För att kunna göra subjektiva åsikter hanterbara bör ett betygssystem som
baseras på kundupplevelse hanteras. Detta i kombination med djupgående diskussioner kan ge en översiktlig bild på kundupplevelse.
Tolka resultaten: Resultat måste sedan tolkas för att kunna översätta kundupplevelse till tekniska
26
tolkas för att förstå själva kundbehovet. Vilka förbättringar och förändringar av konceptet kan leda till ökad kundupplevelse.
Reflektera över resultat och processen: Slutligen reflekteras hela processen över. Det är kritiskt
att momenten har genomförts korrekt och att rätt urval gjorts, rätt kommunikationsverktyg har använts och att resultaten har tolkats korrekt.
3.1.10. Upprätta slutliga specifikationer
Slutligen definieras slutliga specifikationer för konceptet som genomgått förändringar och testning. Momentet genomförs för att skapa en mer definierad djupgående beskrivning av konceptet för att underlätta nästkommande process, utveckling på systemnivå (Ulrich & Eppinger, 2012).
3.2. Produktutvärdering
Under utvecklingsprocessen utvärderas konceptet baserat på olika ”design for…” verktyg. Detta för att säkerställa produktens effektivitet i form av kostnad, tillförlitlighet, montering och miljö. I kapitel 3.2 presenteras verktygen.
3.2.1. DFC - Design for cost
För att en produkt ska kunna lyckas på marknaden behöver priset vara konkurrenskraftigt. För att ett företag ska kunna sätta ett konkurrenskraftigt pris behöver produktens kostnad för företaget hållas lågt. En produkts totala kostnad påverkas av både direkta och indirekta kostnader. Direkta kostnader inkluderar arbete, köpta komponenter och material samt verktyg. Alla andra kostnader kopplade till produkten kategoriseras som indirekta kostnader. Genom att hålla de direkta kostnaderna låga kan den totala kostnaden drastiskt minskas. Direkta kostnaderna kan begränsas och hållas inom den planerade budgeten genom hur produkten designas. Produktdesignern har ansvar för hur en produkt designas och har genom det en direkt koppling till produktens direkta kostnader (Ullman, 2017).
3.2.2. DFE – Design for Environment
Hur en produkt designas har en direkt påverkan på hur produkten påverkar miljön. Material på delkomponenter, hur de bearbetas och hur de monteras påverkar både miljö och arbetare inblandade i framtagnings- och monteringsprocesserna. Att komponenter och material med enkelhet kan separeras och för att återvinnas är kritiskt för att uppnå en låg miljöpåverkan. Produktens design påverkar användning av emballage och transport av produkten samt hur energieffektiv produkten behöver finnas i åtanke. Samtliga ovannämnda faktorer kan påverkas av hur en produkt är designad och är med det en produktdesigners ansvar (Ullman, 2017).
27 3.2.3. DFA - Design for Assembly
Design för montering har en indirekt koppling till det totala priset vilket alltid är relevant. Design för montering handlar om att designa en produkt för att på så effektivt sätt som möjligt kunna montera ihop samtliga komponenter. Detta sparar i sin tur tid det tar för montörer vilket sparar resurser. För att hålla montering simpel bör få individuella komponenter användas. Målet med själva hopsättningen är att delkomponenterna näst intill ska ramla ihop (Ullman, 2017).
3.3. SODAR-teori
Kapitel 3.3 beskriver teori kring SODAR-system som ligger som grund för generering, utvärdering och utveckling av koncept.
3.3.1. SODAR
SODAR, Sonic Detection and Ranging är ett meteorologiskt verktyg som använder ljud för att mäta vindhastighet och vindriktning på olika höjder över marken. Genom att mäta hur ljudvågor sprids av atmosfärisk turbulens skapar SODAR-system vindprofiler som primärt används för att hitta optimala förutsättningar för placering av vindkraftverk. SODAR är egentligen endast SONAR-system fast använda i luft istället för vatten (Bradley, 2007).
SODAR-system genererar ljudvågor riktad mot atmosfären med en viss frekvens och ljudvågornas eko samlas sedan in. Innan ekot når SODAR-systemet kommer ljudvågornas frekvens påverkat av småskaliga temperaturskillnader i luften även kallat dopplereffekten. Baserat på förändringen av frekvensen kan vindhastigheten beräknas. Eftersom vind är tredimensionellt måste mätningar i minst tre olika riktningar genomföras för att kunna skapa en vindprofil (Piper, 2010).
3.3.2. Sändare och mottagare
Utformning av SODAR kan variera och varje design erhåller olika för- och nackdelar (Bradley, 2007). Under kapitel 3.3.1 presenteras olika placering av komponenter i form av bi- och monostatisk, horisontell uppställning samt parabolantenn.
28 Bistatisk och monostatisk
Ljudvågsgenerering och upptagning kan ske genom antingen bi- eller monostatisk design. Om systemet är bi- eller monostatisk baseras på vart ljudvågor genereras och sedan mottags. I ett bistatiskt system placeras utgivaren och mottager på olika platser. I ett monostatsikt system sitter mottagaren placerad på samma plats som utgivaren. Exempel på bi- och monostatiska system visas i figur 9. Det finns ännu inga bevisade fördelar med ett bistatiskt system utan undersökningar visar på att monostatiska system uppnår samma precision och datatillgänglighet. På grund av naturen av det bistatiska systemets utformning behöver en SODAR som separerar utgivare och mottagare vara betydligt större. Ett bistatiskt system blir även mer kostsamt genom både större design och dyrare komponenter (Bradley, 2007).
Horisontell uppställning och parabolantenn
Ljudvågorna som skickas vertikalt kan antingen skickas direkt via en horisontell uppställning av högtalare eller reflekteras upp. Figur 10 visar exempel på ett system av horisontells uppställda högtalare. Begränsningar med det typen av uppställning är storleken samt att systemet blir väderkänsligt. För att skapa ett system som inte är väderkänsligt krävs användning av en eller flera parabolantenner. Parabolantenner placeras för att reflektera ljudvågor och samtidigt skydda högtalare från regn och snö. Paraboler kan placeras på tre olika sätt och de tre alternativen kallas här för fasstyrda antennsystem, horisontell parabol och offset-högtalare (Bradley, 2007).
I ett fasstyrda antennsystem placeras en platt parabol i 45 graders vinkel från det horisontella planet med flera högtalare riktad mot parabolen, figur 11 visar exempel på geometri i ett fasstyrt antennsystem. Detta system behöver relativt stor yta jämfört md de två andra alternativen. Vid användning av en horisontell parabol riktas en högtalare rakt nedåt med en parabol nedanför formad för att reflektera ljudvågorna mot atmosfären. Figur 12 visar en horisontell parabolutformning. Detta system kräver lite plats men har brister då det genererar stora sidolober samt att högtalaren skuggar ett visst segment. Slutligen kan ett offset-högtalarsystem användas där tre högtalare riktas nedåt och sedan vinklas med samma lutning åt vardera håll. Detta kräver inte stor yta, skapar små sidolober vilket reducerar ekot från solida objekt som exempelvis master, träd och byggnader samt att högtalarna inte skuggar ljudvågorna (Bradley, 2007). Visualisering av hur ljudet riktas ut i atmosfären visas i figur 13.
Figur 9 : Bi- och monostatiska system
29 3.3.3. Brännpunktslängd
Avståndet mellan brännpunkt och parabolen som kallas brännpunktslängd eller fokallängd är kritisk för att kunna reflektera ljudvågorna in och ut ur systemet (Bradley, 2007). Undersökning av vad antennparabolers focus, zoom och lutning har för påverkan på mätning genomfördes av Paul Wade (Wade, 2009). Under studien undersöktes både standard- och offsetmonterade antennparaboler. Slutsatser kring offsetmonterade antennparaboler är att avstånd från antennens brännpunkt till parabolens djupaste punkt är betydligt mindre kritiskt än vid traditionella antennparaboler. Inga tester behöver genomföras för att anpassa brännpunksplacering efter ett individuellt system utan dimensioner kan tas fram med hjälp av beräkningar (Legon, 2006). Figur 11 : Exempel på fasstyrt
SODAR-uppställning (Bradley, 2007)
Figur 7 : Horisontell parabol (Bradley, 2007)Figur 8 : Exempel på fasstyrt SODAR-uppställning (Bradley, 2007)
30 3.3.4. Pulsvolym
Pulsvolymen är den volym som ljudvågorna täcker en viss sträcka ovanför SODAR-systemet. Pulsvolymen påverkas av signalens lutningsvinkel θ och bredden av huvudsignalen ∆θ. Figur 14 presenterar en visualisering av ett systems pulsvolym. Pulsvolymen är kritisk för att kunna uppnå precisa mätresultat (Piper, 2010). För att kunna samla in den data nödvändig för att skapa en vindprofil får pulsvolymen inte vara för stor. Vid för stor pulsvolym ökar den vertikala utsträckningen av pulsvolymen vid högre höjder. Pulsvolymen kommer då inkludera ett brett utbud av radiell hastighet vilket leder till ett bredare utbud av dopplerspektrum. Detta leder till, i närvaro av buller, försvårade möjligheter att identifiera toppositionen av dopplerspektrumet vilket är kritiskt för att kunna skapa en vindprofil. För att begränsa pulsvolymen måste produkten av signalens lutningsvinkel och bredden av huvudsignalen hållas låg (Bradley, 2007).
För att begränsa pulsvolymen kan signalens lutningsvinkel eller bredden av huvudsignalen minskas. Genom att vinkla högtalare, antennparabol och anpassa geometrin av systemets kon kan signalens lutningsvinkel påverkas. Signalens lutningsvinkel från lodrät axel får dock inte vara för liten på grund av fel i vindhastighetskomponenterna vilket påverkas av huvudsignalens bredd. Signalens lutningsvinkel får inte heller för stor då volymen av insamling, av de olika signalerna som pekar i olika riktning, blir för separerade och vindkomponenterna inte korrelerar. Typiska SODAR-designer har en lutningsvinkel mellan 15° - 25° och en bredd på huvudsignalen mellan 4° - 8° (Bradley, 2007).
Bredden av huvudsignalen påverkas av fler faktorer. Ljudvågorna skickas ut i alla riktningar och bredden av huvudsignalen begränsas genom FWHM (Full Width at Half Maximum). Amplituden av ljudets styrka, dB, minskas när ljudvågorna sprids och olika SODAR-system har olika gränser för vilken avvikelse av dB som tolereras. Piper (2010) menar att en avvikelse på 6 dB är ett optimalt värde för mätning av huvudsignalens bredd.
31 3.3.5. Frekvens på ljudvågor
För att mätningar av SODAR-system inte ska påverkas av ljud från andra källor genererar systemet en speciell frekvens. Genom tiderna har SODAR-system testats med frekvenser från 1,5 kHz upp till 7 kHz (Crescenti, 1996). Frekvensen har en direkt koppling till pulsvolymen då högre frekvens resulterar i att huvudsignalens bredd, ∆θ, blir mindre. Mätningar genomförda av Piper (2010) visar tydligt detta fenomen och presenteras i tabell 1. Ljudvågor med högre frekvens absorberas dock av luften till en större grad än ljudvågor med lägre frekvens. Problematik finns även med för låga frekvenser då ekot från solida objekt ökar markant (Piper, 2010). Piper (2010) har identifierat en optimal frekvensintervall för SODAR-system mellan 2,5 kHz och 6 kHz. För att kunna generera högre frekvenser krävs kraftigare högtalare. Kraftiga högtalare leder till att systemets storlek ökar samt att det blir mer energikrävande (Bradley, 2007).
32
4. EMPIRI
I följande kapitel beskrivs hur metoder och verktyg applicerats samt resultat framtagna genom verktyg presenteras. Testning av koncept och upprättande av slutgiltiga specifikationer utelämnas. Material som använts som underlag i testning samt slutliga specifikationer presenteras under kapitel 5.0.
4.1. Funktionsanalys AQ510
För att kunna bryta ner AQ510 i delfunktioner behöver produktens övergripande funktion först beskrivas (Ullman, 2017). Företaget använder de två nedanstående citaten på hemsidan som tydligt beskriver produktens funktion. Figur 15 visar även bilder på produkten AQ510 placerad i olika miljöer (AQ System, 2019).
”Measure win conditions anytime, anywhere ”
” AQ510 uses sound to measure the wind speed, direction and turbulence ”
Företagets beskrivning har som funktion att sätt nämna produktens funktion för att väcka intresse hos kunder. Var för sig nämner inte beskrivningarna hela produktens funktion men om de två kombineras kan en kortfattad tydlig produktbeskrivning formuleras. Följande beskrivning nämner både funktionen och de förhållanden produkten behöver klara av och kommer användas i funktionsanalysen.
”AQ510 använder ljud för att mäta vindförhållanden oberoende av väderförhållanden”
33
Hur AQ510 gör för att mäta vindförhållanden kan delas upp i tre större funktionsgrupper i form av elektrisk inställning, vindsimuleringar och antenngeometri. De tre funktionsgrupperna kodas genom färg för att enkelt kunna följa funktionsanalysen. Figur 16 visar delfunktionerna.
Utgående: Initialt skickar ett program information genom en D/A-omvandlare som omvandlar
digitala- till analoga signaler. Den analoga signalen skickas vidare genom ett PCB-filter och vidare till högtalarna. Högtalarna kopplas till en förstärkare som genererar en 4300 Hz sinusformad ljudvåg under 210 millisekunder. Ljudvågen reflekteras på parabolen och ut genom den konformade ljudskölden upp i atmosfären.
Inkommande: Ljudvågorna reflekteras mot atmosfären för att sedan gå samma väg in som ut.
Efter att ha genererat ljudvågen slår högtalaren om till en mikrofoningång för att kunna samla in ekot från atmosfären. Ljudvågorna går genom konen och reflekteras sedan genom parabolerna in i mikrofoningången. Insamlade ljudvågor går sedan genom förstärkare. PCB filter samt en A/D-omvandlare som gör om de analoga signalerna till digitala signaler. De digitala signalerna analyseras genom algoritmer för att sedan skapa en vindprofil(AQ System, 2019).
4.2. Antenngeometri
Två av funktionsgrupperna har inte en stor påverkan på SODAR-systemets storlek. Vindsimulering är huvudsakligen mjukvara och hanterar algoritmer och data insamlad. Elektriska inställningar i form av högtalare och förstärkare kan påverka systemets storlek men inte till den grad som sista funktionsgruppen, antenngeometri, kan göra. För att kunna på ett effektivt sätt kunna ändra storleken på SODAR-systemet läggs fokus på antenngeometri vilket innefattar fysiska utformningar på större komponenter. Komponenter i fokus är högtalare, kon, parabol, stöd, krona och högtalarfästet som kallas för kobra. Figur 17 visar tydligt de olika delkomponenterna och vad hur de benämns i arbetet.
34 4.2.1. Högtalare
AQ510 har tre offsetmonterade högtalare med jämnt fördelade med 120 graders mellanrum. Högtalarna sitter monterade på kobran på en höjd på 410mm riktade 45 graders nedåt från det horisontella planet. Konen av högtalaren har en längd på 175mm och tratten går från en diameter på 36mm vid bakre öppningen till en diameter på 130mm vid främre öppningen. Figur 18 visar högtalaren i AQ510. Brännpunkten eller fokalpunkten som den även kallas är 40mm ifrån högtalarens större öppning.
4.2.2. Kon
Konen är det yttre skalet av systemet och har som funktion att skydda interna komponenter från väder, rikta ljudvågorna i rätt riktning samt att reducera eko från solida objekt. Hela systemet har en höjd på 1635mm och skyddande konen har en höjd på 1180mm och en tjocklek på 4mm. Figur 19 visar konen på AQ510. Konens undre öppning har en diameter på 900mm och den övre öppningen är 800mm i diameter. Vinkeln på konen mot centrum är 7,26 grader.
Figur 17 : Delkomponenter AQ510
35 4.2.3. Parabol
Antennparabolerna sitter placerade nedanför högtalarna och deras funktion är att reflektera ljudvågorna mot atmosfären. Denna utformning har valts för att skydda högtalare mot väder. Parabolerna är placerade med en vinkel på 18,85 grader från det horisontella planet. Dimensionering av parabolen visas i figur 20. Parabolens fokuspunkt visas i figur 21.
Figur 19 : Kon AQ510
Figur 20 : Parabol dimensioner
36 4.2.4. Stöd
Längst ner på systemet under inre komponenter och skyddande kon sitter stödet vilket är ett bärande stativ täckt av ett yttre skal. Stödet har som funktion att bära vikten av komponenterna samt skapa stabilitet i systemet. Den yttre diamatetern på stödet som helhet är 1010mm och höjden är 260mm. AQ510s stöd visas i figur 22.
4.2.5. Krona
Kronan sitter monterad högt upp på AQ510 och har som funktion att skydda systemet från ljud som, vid icke spetsig kant, kan orsakas av buller från vind runt omkring systemet. Kronan har en diameter på 790mm nedtill och spikarna riktas 54 grader utåt. Kronans yttre diameter, vid slutet av spikarna, är 999mm. Höjden på komponenten är 187mm. Figur 23 visar kronan.
Figur 23 : Krona AQ510 Figur 22 : Stöd AQ510
37 4.2.6. Kobra
På plattan över stödet sittet kobran monterad. Kobran har som funktion att fästa högtalare på rätt höjd och riktning och visas i figur 24. Kobran har den böjda form den har för att inte skugga ljudvågorna och skapa eko som påverkar mätningar. Kobran har en total höjd på circa 470mm och riktar högtalare 45 grader från det horisontella planet. Kobran sticker ut cirka 95mm från monteringsplattans centrum.
4.3. Pulsvolym AQ510
I produkten AQ510 är signalvinkeln för varje ljud lob riktad 15 grader från det vertikala planet. Kobran, högtalaren och parabolen har samtliga lutats. Bredden på huvudsignalen är ±6 grader. Gränsen för avvikelse i dB för AQ510 ligger på 6dB. Detta resulterar i att signalen träffar en area på 347m2 med en höjd på 100m. Figur 25 visualiserar huvudsignalens vinkel och bredd.
Figur 24 : Kobra AQ510
38 4.4. Brännpunktslängd AQ510
Enligt tidigare beräkningar genomförda av företaget är brännpunktslängden för varje högtalaruppsättning på AQ510 330mm lång. Ljudvågssimuleringar med den brännpunktslängden samt AQ510’s dimensionering ger resultat som presenteras i figur 26.
4.5. Upprätta målspecifikationer
Kapitel 4.5 presenterar andra fasen i konceptutvecklingsprocessen där målspecifikationer formuleras med hjälp av lista över egenskaper och behovs-egenskapsmatris. Figur 27 visar vilket delmoment som hanteras.
4.5.1. Mål
Figur 27 : Delmoment i fokus från konceptutvecklingsprocess
Specifikationerna har varit tydligt formulerade av uppdragsgivare redan från projektstart. Produkten måste fylla samma mål som tidigare produkten AQ510. Produktbeskrivningen på AQ:s hemsida nämner några specifikationer.
• Kunna leverera noggrannhet ekvivalent med mekaniska alternativ i form av anemometrar Figur 26 : Parabolutformning AQ510
