Light Weight Components for Structural Parts : A design-optimization study of a ROL-Ergo desktop stand

Light Weight

Components for

Structural Parts

A design-optimization study

of a ROL-Ergo desktop stand

Detta examensarbete är utfört vid Tekniska Högskolan i Jönköping inom Maskinteknik: Produktutveckling & Design. Författarna svarar själva för framförda åsikter, slutsatser och resultat.

Examinator: Jonas Bjarnehäll Handledare: David Samvin

Abstract

ROL Ergo is a company that belongs to the ROL Group concern. They develop and manufacture products for the office furniture market and their main focus is on electrically height adjustable desk stands. They also develop products for personal use, often in collaboration with other companies.

The products that ROL Ergo develop are all quite robust and stable, which are qualities often associated with weight. As the E-commerce is increasing in popularity, ROL-Ergo will have to adapt and further improve their products to keep up with it. This means that their product needs to decrease in weight, but without compromising their other qualities. To accomplish this, well thought-out weight reductions must be made on their components.

The desktop stand that this report covers consists of many different components. However, the main components consist of the foot, leg, frame, and strut. There is also a motor housing, containing the electric engine used adjust the table, that connects the leg with the frame and strut. The foot, frame and strut are some of the heaviest and least complex components of the stand, and therefore suitable to perform weight reduction on.

This report covers the work that was done to analyze the current components, as well as the design and development process to generate a new weight-improved design. To begin with, the analyzing of the current components consisted of getting an understanding of their purpose and what stresses they are subject to. Simulations were done to determine this, and the results from these were the basis as well as point of comparison for the new concepts.

As the project finished, new weight improved concepts for the foot, strut and frame with new designs had been developed. Combined with the current remaining parts of the desk frame, it led to a significant total weight reduction. All the new components were compared to the already existing ones through simulations.

Sammanfattning

ROL Ergo är ett företag som tillhör koncernen ROL Group. De utvecklar och tillverkar produkter för kontorsinredningsmarknaden och deras huvudfokus är på elektroniskt höj- och sänkbara skrivbordsstativ. De utvecklar även produkter för privatpersoner, då däremot oftast i samarbete med andra företag.

Produkterna som ROL Ergo tillverkar är alla väldigt robusta och stabila, något som ofta innebär en del vikt. Allt eftersom E-handel ökar så är ROL-Ergo tvungna att anpassa sig och förbättra sina produkter för att följa med i utvecklingen. Detta betyder att deras produkter måste minska i vikt, utan att kompromissa på dess styrkor. För att utföra detta, måste väl uttänkta viktbesparingar göras på stativets komponenter.

Det skrivbordsstativ som denna rapport är skriven utifrån är uppbyggd av många ingående komponenter. Huvudkomponenterna består däremot av foten, benet, sargen och sido-staget. Stativet innefattar också ett motorhus som håller elmotorn som styr höj- och sänkbarheten i bordet, motorhuset är i sin tur fäst i både benet, sargen och staget. Foten, sargen och sido-staget är några av de tyngsta och minst komplexa komponenterna i stativet, och är därför mest lämpliga att göra viktbesparingar på.

Denna rapport täcker arbetet som är gjort kring analysen av de nuvarande komponenterna, samt design- och framtagningsprocessen som användes för att generera nya viktoptimerade komponenter. Analysen av de nuvarande komponenterna började genom att få en uppfattning av vad för uppgift de ämnar uppfylla, och de spänningar som de utsätts för. Simuleringar utfördes för att fastställa detta, och resultaten från dessa lade grunden för projektet och den jämförelse som uträttades för de nya koncepten.

När projektet slutfördes så hade nya lättviktskomponenter för foten, sargen och sido-staget med ny design utvecklats. Kombinerat med resterande komponenter i skrivbordsstativet så har det lett till en signifikant viktminskning. Samtliga nya komponenter har jämförts med de nuvarande komponenterna genom simuleringar.

Innehållsförteckning

1

Introduktion ... 1

BAKGRUND ... 1

PROBLEMBESKRIVNING... 1

SYFTE OCH FRÅGESTÄLLNINGAR... 2

DISPOSITION... 3

2

Teoretiskt ramverk ... 4

KOPPLING MELLAN FRÅGESTÄLLNINGAR OCH TEORI ... 4

SPÄNNING ... 5 FÖRSKJUTNING ... 5 TÖJNING ... 5 STRÄCKGRÄNS ... 5 BROTTGRÄNS ... 5 ELASTICITETSMODUL ... 6 VON MISES HYPOTES ... 6

FINITA ELEMENTMETODEN (FEM) ... 6

DESIGNTÄNKANDE ... 7

COMPUTER-AIDED DESIGN (CAD)... 7

3

Metod ... 8

KOPPLING MELLAN FRÅGESTÄLLNINGAR OCH METOD ...8

INFORMATIONSSÖKNING ... 9

SOLIDWORKS ... 9

DATAINSAMLING ... 9

Lasten ... 13 Mesh ... 13 Simuleringsvillkor - Fot ... 14 Last-fall 1 - Fot ... 14 Last-fall 2 - Fot... 14 Simuleringsvillkor – Sido-stag ... 15 Last-fall – Sido-stag ... 15 Simuleringsvillkor - Sarg ... 15 Last-fall – Sarg ... 15

FEM-BERÄKNINGAR PÅ NUVARANDE KOMPONENTER ... 16

RESULTAT FRÅGESTÄLLNING 1 ... 16

Resultat av FEM-beräkningar på foten ... 17

Resultat av FEM-beräkningar på sido-stag ... 18

Resultat av FEM-beräkningar på sargen... 19

RESULTAT FRÅGESTÄLLNING 2 ... 20 Kravspecifikation... 21 Funktionsanalys ... 21 Konceptgenerering ... 21 Konceptgenerering fot ... 23 Konceptgenerering sido-stag... 25 Konceptgenerering sarg ... 28 Simulering av koncept ... 31 Sållning ... 31

Vinnande koncept från sållning ... 38

Vidarearbete efter sållning ... 41

Prototyp ...43

RESULTAT FRÅGESTÄLLNING 3 ...46

FRÅGESTÄLLNING 3 ... 51

6

Diskussion och slutsatser ... 52

DISKUSSION ... 52

IMPLIKATIONER ... 53

SLUTSATSER OCH REKOMMENDATIONER ... 54

VIDARE ARBETE ELLER FORSKNING ... 54

7

Referenser ... 55

1

Introduktion

Bakgrund

ROL Ergo tillverkar höj och sänkbara skrivbordsstativ och ingår i koncernen ROL AB. Företaget levererar sina produkter globalt och har anläggningar i bland annat USA, Kina, Litauen och Sverige. I Jönköping sker det huvudsakliga produktutvecklingsarbetet och även en del av tillverkningen. I nuläget har ROL Ergo främst produkter inriktade mot andra företag. Det erbjuds där ett stort produktutbud av höj och sänkbara skrivbordsstativ i olika storlek och form lämpade för kontorslandskap.

Användandet av höj och sänkbara skrivbord hos privatpersoner är en ökande trend. På grund av den rådande Corona-pandemin har många arbetsplatser ändrat sitt arbetssätt och utför i stället mer arbete på distans [1]. På grund av detta har hemmet blivit en ny arbetsplats för många människor och efterfrågan för höj- och sänkbara skrivbord har där med ökat. Genom att tillverka produkter som är mer inriktade mot privatpersoner så har ROL Ergo en stor chans att utöka sitt produktnät och sina säljmöjligheter. Men för att kunna tillgodose efterfrågan hos privatpersoner så krävs det även att produkterna är väl lämpade för att säljas genom e-handel. E-handeln har under de senaste åren ökat, till följd av att samhället blir mer digitaliserat. Bara under det senaste decenniet har e-handeln nästan dubblerat i antalet köpare [2]. Denna trend kräver att företag måste anpassa sig för att fortsätta vara konkurrenskraftiga. För ROL-Ergo kan detta innebära att exempelvis ta fram skrivbordsstativ som väger mindre än de nuvarande.

Problembeskrivning

ROL Ergo producerar idag robusta och stabila skrivbordsstativ. Dessa egenskaper medför dock också en del vikt på deras skrivbordsstativ. Målet med projektet är därför att göra väl uttänkta viktbesparingar och designförändringar utan att märkbart offra stabiliteten och robustheten på skrivbordsstativen.

Komponenterna på stativet som skall undersökas och göras viktbesparingar på är fot, sido-stag samt sarg. Bortsett från benet så utgör dessa delar några av de största komponenterna av stativet och det finns därmed stor potential för att utföra viktbesparingar på dem. Även designen och formen på komponenterna kan förbättras med hänsyn till viktbesparingar. Dessa förändringar skall göras på ett sätt så att den befintliga styrkan, styvheten och stabiliteten i skrivbordsstativet bevaras.

Viktbesparingar medför stora fördelar vid distribuering, både kostnads- och miljömässigt. Lägre vikt innebär lättare och mindre paket, därmed mindre kostnader vid transport [3]. Komponenter som väger mindre kan dessutom leda till en lägre materialåtgång vid tillverkning. Detta i kombination med en minskning av transportvikten har ett mindre klimatavtryck då det resulterar i lägre utsläpp i samband med distribution [4]. I kombination med detta kan även fler komponenter transporteras i samma lastutrymme och totala antalet transporter som måste utföras minskar.

Syfte och frågeställningar

Figur 1: Ett av ROL Ergos skrivbordsstativ

Syftet med examensarbetet är att utveckla och presentera komponentlösningar för sido-stag, sarg & fot på ROL Ergos skrivbordsstativ. Viktbesparingar ska göras på dessa komponenter utan att märkbart påverka dess styrka och styvhet. Genom att göra viktbesparingar kan ROL Ergo leverera lättare skrivbordsstativ som är mer anpassade för distribuering.

Dessa viktbesparingar skall vara väl uttänkta och kan göras genom att reducera materialet samt ändra designen på komponenterna. Därmed är studiens frågeställningar:

1. Vilket beteende har dagens konstruktion med hänsyn till spänningar och styvhet? 2. Hur utformar man koncept som väger mindre än de ursprungliga komponenterna

Avgränsningar

Examensarbetet kommer att avgränsas enligt följande:

Projektet kommer endast att innefatta lösningar för komponenterna sido-stag, fot och sarg. Resterande komponenter i skrivbordstativet kommer inte att modifieras.

Funktioner som uppfylls av de nuvarande komponenterna skall även återfinnas i de nya lösningar som tas fram.

Infästningar som rör övriga komponenter kommer inte att ändras och skall fungera likadant som på det befintliga skrivbordsstativet.

De framtagna koncepten kommer att vara av samma material som de befintliga komponenterna.

Tillverkningsteknik för komponenterna tas inte hänsyn till och någon kostnadskalkyl kommer inte utföras.

Prototypen som tas fram kommer endast att skapas i uppvisningssyfte.

Disposition

Rapporten börjar med kapitel 1, Introduktion. I detta kapitel introduceras företaget, problembeskrivningen, de frågeställningar som projektet följer, samt de avgränsningar som utförts. Läsaren går sedan igenom kapitel 2, Teoretiskt ramverk, där man får ta del av den kunskap som behövs för att förstå de resultat som tas fram i projektet.

I det tredje kapitlet, Metod, specificeras samtliga metoder som använts för att utföra projektet och det resultat som tas fram. I kapitel 4, Genomförande och resultat, beskrivs samtliga steg som utförts för att nå det resultat som specificeras. Kapitel 5, analys, besvarar och analyserar samtliga frågeställningar.

Under kapitel 6, Diskussion och slutsatser, så diskuteras de resultat, implikationer och slutsatser som gjorts. Detta kapitel presenterar också hur detta projekt kan tas vidare i framtiden. I kapitel 7 & 8 specificeras samtliga referenser och bilagor som använts under projektets gång.

2 Teoretiskt ramverk

Koppling mellan frågeställningar och teori

För att besvara de frågeställningar som examensarbetet kretsar kring ska ett antal teorier användas. Nedan följer de teorier som anknyts till frågeställningarna.

1.

Vilket beteende har dagens konstruktion med hänsyn till spänningar och styvhet? För att besvara den första frågeställningen så tillämpas kunskap gällande Finita Elementmetoden (FEM) och Computer-Aided Design (CAD). Detta kräver också kunskap kring spänning, förskjutning, deformation, sträckgräns, brottgräns, elasticitetsmodul och von Mises hypotes.

2. Hur utformar man koncept som väger mindre än de ursprungliga komponenterna men bibehåller dess mekaniska egenskaper?

Den andra frågeställningen för projektet besvaras genom att kunskap kring designtänkande tillsammans med FEM och CAD tillämpas.

3. Hur stora viktbesparingar kan göras på komponenterna?

För att besvara den tredje frågeställningen så kommer även här kunskap kring FEM, spänning, förskjutning, deformation, sträckgräns, brottgräns, elasticitetsmodul och von Mises hypotes användas. Frågeställning Teori 1 2 3 Spänning _{✓ ✓} Förskjutning _{✓ ✓} Töjning ✓ ✓ Deformation _{✓ ✓} Sträckgräns _{✓ ✓} Brottgräns ✓ ✓ Elasticitetsmodul ✓ ✓

Spänning

Spänning definieras enligt kraft dividerat på area. Om en komponent belastas med en kraft kommer alltid spänningar att uppstå. Spänningar kan vara jämnt eller icke-jämnt fördelade. I en komponent kan en så kallad spänningskoncentration uppstå, vilket är ett område där stor spänning uppkommer.

σ =

P

A

Där σ står för spänningen, P står för den pålagda kraften, och A står för tvärkraftsarean. I tre-dimensionella spänningsproblem så kan man definiera spänningar i olika riktningar. Dessa spänningar definieras enligt:

σ

_x

= σ ∙ n

_x

, σ

_y

= σ ∙ n

_y

, σ

_z

= σ ∙ n

_z

Där σ𝑥,𝑦,𝑧 är spänningen i riktningen x, y, z och σ är spänningsmatrisen, n är normalkomponenterna i riktningen x, y, z. [7]

Förskjutning

Förskjutningar sker i allt som påverkas av någon form av last eller kraft. Förskjutningar tar hänsyn till samtliga led. Den mäts genom att betrakta ett snitt i en komponent i vila, och sedan titta på samma snitt under belastning och jämföra dess position. [5]

Töjning

Töjning mäter hur mycket en kropp deformeras. Töjningen definieras enligt skillnaden i längd, dividerat av den ursprungliga längden. Töjningen är enhetslös, då enheten meter förekommer i både täljaren och nämnaren. [5]

𝜀 = 𝐿1− 𝐿0 𝐿0

Där 𝜀 står för töjningen, 𝐿0 står för den ursprungliga längden, och 𝐿1 står för den längd som mäts efter deformationen skett.

Sträckgräns

När ett material utstår en last eller kraft och deformeras förbi den linjära delen i dragprovskurvan (se figur 2), så har man uppnått sträckgränsen. Efter denna gräns kommer materialet att deformeras plastiskt, vilket innebär att deformationen är permanent. [5]

Brottgräns

När ett material uppnår en viss spänning där det brister har brottgränsen uppnåtts. När

brottgränsen uppnås, har både den elastiska samt plastiska deformationen passerats och

materialet går då sönder. Denna gräns varierar beroende på vilket material man tittar

på. [5]

Elasticitetsmodul

Elasticitetsmodulen eller Youngs Modul säger hur mycket ett material kan belastas genom att titta på förhållandet mellan spänning och töjning. Genom att göra dragprov på stavar av olika material så kan man säkerställa vilken elasticitetsmodul ett material besitter. [5]

𝐸 =

σ

𝜀

Där E står för Elasticitetsmodulen, σ står för spänningen, och 𝜀 står för töjningen.

Figur 2: Dragprovsdiagram [6]

Von Mises hypotes

Von Mises hypotes säger att ett material kan antas deformera plastiskt när dess värde uppnår sträckgränsen på ett material, dvs. när:

σevm = σs Där σ_evm _{är Von Mises spänning, och σ}

s är sträckgränsen för materialet.

Von Mises hypotes används mycket inom simuleringsteknik då det snabbt och enkelt visar var ett material deformeras samt innehåller spänningar. [5]

Finita Elementmetoden (FEM)

FEM är ett verktyg som används för att beräkna partiella differential-ekvationer. Differentialekvationerna representeras i form-element, där ett element är uppdelat

Designtänkande

Designtänkande är en process för att definiera och lösa ett problem. Vad som skiljer denna process från andra är att den är repeterbar, samt använder sig av olika faser för att lösa problemet. Första fasen kallas för ”Empathize”, vilket innebär att sätta sig in i och förstå sig på vilka problem som finns från kundens perspektiv. Från detta kan problemet vidare brytas ned och definieras i ”Define”-fasen. Här sätts även avgränsningar för att ytterligare specificera problemet som skall lösas. Utifrån detta kan idégenerering utföras i ”Ideate”-fasen med hjälp av metoder som Brainstorming. Här uppmuntras fritt tänkande och alla idéer är bra, oavsett hur absurda de kanske verkar.

Allt eftersom idéer utvecklas till mer realistiska lösningar kan enkla modeller eller prototyper framställas i ”Prototype”-fasen. Dessa behöver inte på något sätt vara kompletta, utan kan vara av enklare slag eller exempelvis digitala. Det viktiga är att idéernas design på något sätt kan förmedlas, för att kunna utvärderas i nästa fas. ”Test”-fasen innebär utvärdering och återkoppling från exempelvis den tänkta kunden, tillsammans med eventuella tester. Under hela processens gång upptäcks ofta nya problem eller potentiella förbättringar. Processen kan då upprepas genom att gå tillbaka och åtgärda dessa problem eller ytterligare utveckla idéerna. [8]

Figur 3: Beskrivande bild som förklarar designtänkande [9]

Computer-Aided Design (CAD)

Computer-Aided Design innebär att ta hjälp av datorer för att analysera, konstruera och optimera designen på en produkt. Det innefattar alla typer av design och konstruktionsarbeten som använder sig av ett datorprogram. Med hjälp av programmet kan användaren lätt skapa modeller som är uppbyggda av olika geometriska element. Dessa kan sedan modifieras på flera olika sätt efter användarens tycke. [10] CAD är ett brett ämne, där olika sorters metoder används för att modellera. Den vanligaste kallas solidmodellering, där man bygger geometrier med solida kroppar. Man kan med denna metod sammanställa och bygga flertalet solider och därmed bygga komplicerade geometrier. [11]

3

Metod

Koppling mellan frågeställningar och metod

För att besvara den första frågeställningen metoder kring CAD och datainsamling beskrivits. Detta för att analysera de nuvarande komponenterna genom FEM, och därav jämföra deras innestående spänningar, skjuvningar, och förflyttningar.

1.

Vilket beteende har dagens konstruktion med hänsyn till spänningar och styvhet? För att besvara den andra frågeställningen har metoder kring produktutveckling och jämförelsestudier beskrivits. Dessa metoder används för att ta fram nya koncept och för att jämföra dem mot de ursprungliga komponenterna.

2. Hur utformar man koncept som väger mindre än de ursprungliga komponenterna men bibehåller dess mekaniska egenskaper?

Den tredje frågeställningen besvaras också genom att använda metoder kring CAD, datainsamling och jämförelsestudie.

3. Hur stora viktbesparingar kan göras på komponenterna?

Frågeställning Metod 1 2 3 Informationssökning _{✓ ✓} SolidWorks _{✓ ✓ ✓} Datainsamling _{✓ ✓ ✓} Produktutvecklingsprocessen ✓ Konceptutveckling _✓ Kravspecifikation _✓ MoSCoW ✓ Funktionsanalys ✓

Informationssökning

Informationssökning uträttas i syfte att ge lärdom om diverse teorier och metoder under projektets gång. Denna metod innefattar bland annat litteratursökningar, bearbetning av information på internet, och diskussion med diverse experter. Den information som anses vara relevant används och lägger grund för projektet.

SolidWorks

SolidWorks är en programvara som möjliggör att utföra CAD i både 2D och 3D. De geometrier som bestäms i programmet kan både visualiseras i enstaka delgeometrier, och även sammanställas i en ”Assembly”. I en assembly kan man smidigt visualisera större sammanställningar av geometrier. I programvaran kan också fullständiga ritningar utföras. SolidWorks har dessutom en implementation av FEM inkluderat i sin programvara. Beräkningarna görs på CAD-geometrier, som antingen kan laddas in som enstaka delar eller en assembly. Beräkningarna görs automatiskt efter att material, randvillkor och ”mesh” definierats. Dessa beräkningar visar resultat som innefattar bland annat förskjutning, spänning, och skjuvning. Resultatet visas på ett intuitivt sätt i CAD-geometrin och kallas för en plot. Dessa plottar kan exempelvis visa var spänningskoncentrationer befinner sig genom att applicera färger i geometrin.

Datainsamling

En viss datainsamling kommer att utföras. De olika resultaten som uppstår från FEM-simuleringarna kommer att sammanställas i ett kalkylblad. Den data som är relevant i detta projekt är 12 olika plottar (spänning, skjuvning och förskjutning). Samtliga plottar är framtagna genom FEM-analys i programmet SolidWorks.

Produktutvecklingsprocessen

För att ta fram nya produkter så används produktutvecklingsprocessen, där metoden går ut på att gå från idé till färdig produkt. Denna process kan utformas på många olika sätt, men kan brytas ner i ett antal övergripande steg. Beroende på vad som ska göras, så kan processen användas i varierande utsträckning [11]. Samtliga steg i produktutvecklingsprocessen specificeras nedan

Konceptutveckling

Det första steget i produktutvecklingsprocessen börjar oftast i att hitta ett behov eller problem som behöver lösas. Genom att använda ingenjörstänk kan man tillfredsställa behovet genom att ta fram en produkt eller tjänst. När man säkerställt vilket behov man vill tillfredsställa så krävs det att ta fram idéer och skisser på dem. Ofta så tas flera koncept fram under samma gång så att de sedan kan sållas och jämföras med varandra för att få fram en så bra produkt som möjligt. [11]

Kravspecifikation

Kravspecifikation är en metod som används för att upprätta krav på en produkt. Denna metod ska säkerställa kvaliteten på den slutgiltiga produkten. Projekt styrs alltid mot att alla krav som specificeras ska uppfyllas. Kraven som ställs upp i en kravspecifikation skall vara tydliga samt mätbara. [11]

MoSCoW

MoSCoW är en metod som används för att upprätta en kravspecifikation. Denna modell kategoriserar kraven inom fyra olika spalter; ”Must have”, ”Should have”, ”Could have” och ”Won’t have”. ”Must have” innefattar de krav som lösningen måste uppfylla för att lösa huvudproblemet. ”Should have” är krav som produkten borde ha för att kunna fungera någorlunda. “Could have” är krav som inte nödvändigtvis behövs, men som man ändå vill ha i åtanke då de kan komma till användning. “Won’t have” är krav som produkten inte kommer uppfylla, då de antingen är onödiga eller överflödiga. [11]

Funktionsanalys

För att en produkt ska fungera som uttänkt så måste en funktionsanalys upprättas. Funktionerna av produkten delas upp i underkategorier. Huvudfunktionen är den största funktionen som produkten ska uppfylla, så om den inte uppfylls så fungerar inte produkten alls. Nödvändiga funktioner är viktiga för att huvudfunktionen ska fungera som uttänkt, men är inte huvudfunktioner i sig. Önskvärda funktioner behövs nödvändigtvis inte för att utföra huvudfunktionen, men gynnar produktens upplevelse till användaren. [11]

Brainstorming

Brainstorming används för att ta fram nya idéer och koncept. Metoden utförs oftast i grupp där tankar och idéer får flyga fritt utan att kritiseras. Spontana idéer uppskattas, då en idé som från början verkar vara dålig kan i senare skede i stället utvecklas till något riktigt bra. Samarbete uppmuntras också, då man genom kooperation kan utveckla varandras idéer och komma fram med bra lösningar på problem.

Brainstorming metoden kan användas på olika sätt under ett projektarbete. Till exempel kan det appliceras vid en specifik punkt eller löpandes under projektets gång. [11]

PUGHS-matris

Metod för att få fram en vinnande lösning bland flera olika koncept. Fungerar genom att de koncept som tagits fram ställs mot flera kriterier, exempelvis de krav och egenskaper som bör uppfyllas. En viktning görs även på varje kriterium, beroende på hur viktig var och en anses vara. Ett referenskoncept, exempelvis den nuvarande lösningen för en produkt, används även. De olika koncepten blir därefter poängsatta efter hur väl de uppfyller varje kriterium jämfört med referensen. Om ett koncept man har tagit fram är bättre än referensen i ett krav så noteras detta med ett plustecken (+). Om konceptet är sämre än referensen i ett annat krav så noteras detta med ett minustecken (-). Konceptet kan också vara lika bra, och då noteras detta med en nolla (0). De koncept som i slutändan har mest poäng är då de koncept som kan användas för att gå vidare i arbetet. [11]

Validitet och reliabilitet

4 Genomförande och resultat

För att besvara den första frågeställningen måste en testmetod uträttas där varje komponent till ROL Ergos skrivbordsstativ analyseras på samma sätt. Denna testmetod utförs genom diverse FEM-beräkningar i programmet SolidWorks. Beräkningarna kommer att sammanställas i tabeller för att sedan utvärderas.

1. Vilket beteende har dagens konstruktion med hänsyn till spänningar och styvhet?

Förstudie

Arbetet påbörjades med att en ingående förstudie utfördes. Syftet med detta var att få en bättre förståelse för de komponenter samt problem som projektet behandlar. Detta gjordes genom informationssökningar samt granskningar av komponenterna i verkligheten. Följande underrubriker beskriver förstudien.

Figur 4: Rendering på ett av ROL Ergos skrivbordsstativ

Stativet

För att förstå problemet krävs en förståelse för hur stativet är uppbyggt (se figur 4). Undre delen av skrivbordstativet består av två fötter, samt två höj-och-sänkbara ben. Det sitter även två ställ-fötter monterade under varje fot som hjälper till att justera fotens höjd för att behålla stabiliteten i den. Benen sitter monterade ovanpå fötterna. Ovanför dessa ben sitter sedan motorhusen, som i sin tur är fästa i var sitt sido-stag. En förlängningsbar sarg ansluter sedan motorhusen med varandra. Stativet består även av flera mindre delar så som elektronik, glidskenor och bultar. Eftersom det går att ändra längden på sargen så är stativet kompatibelt för flera olika storlekar och former av bordsskivor. Oavsett storlek så fästs bordsskivan med hjälp av skruvar genom sido-stagen och sargen. Enligt tillverkarens krav så skall detta skrivbordsstativ klara en last på 120kg.

Material

Detta arbete har utgått från att materialet som används i komponenterna i alla simuleringar samt framtida koncept är ett material som heter E220. Denna metall används i sin tur i en kallvalsad plåt som heter DC01. Materialet har följande mekaniska egenskaper:

Egenskap Värde Enhet

Brottgräns 310 MPa

Sträckgräns 220 MPa

Poissons tal 0,23 -

Densitet 7830 kg/m³

[12], [13]

I simuleringarna för foten har även en ABS-Plast använts för de två ställ-fötterna som finns monterade under foten. Detta material besitter följande mekaniska egenskaper i programmet SolidWorks:

Egenskap Värde Enhet

Brottgräns 200 MPa

Sträckgräns 30 MPa

Poissons tal 0,394 -

Grundläggande principer för FEM-beräkningen

Lasten

För att kunna ta fram viktoptimerade koncept så utfördes grundläggande FEM-beräkningar på de nuvarande komponenterna. För att göra verklighetstrogna FEM-beräkningar så ställdes ett antal last-fall upp. Last-fallen har definierats på ett sätt så att de ska spegla verkliga händelser. Dessa last-fall utgår från befintliga testresultat på ROL Ergos skrivbordsstativ samt värsta-fallscenarion. Eftersom varje komponent simuleras var för sig, samt på grund av att bordsskivan är exkluderad från simuleringarna, så kan inte lasten fördelas jämnt på de olika delarna av stativet som den i verkligheten hade gjort. På grund av detta togs ett beslut att i stället fördela den totala lasten jämnt på de komponenter som är relevanta för varje simulering. Alltså fördelas endast den totala lasten som används på två sido-stag i en simulering, och på två sarger i en annan simulering. På grund av detta utsätts sido-stagen och sargen för större påfrestningar än vad de skulle i verkliga tester. Detta ger också en större säkerhetsmarginal för simuleringarna som utförs. Foten påverkas inte av bordsskivan på samma sätt av detta, då de resulterande krafterna leds ner i foten, men även där har ett värsta-fallscenario använts.

Figur 5: Schematisk bild över hur samtliga komponenter har belastats

Mesh

I samtliga simuleringar så kommer en godtycklig mesh definieras för komponenterna. Den kommer också förfinas för att få minst tre element i godstjockleken i de områden som är intressanta för var komponent. Meshen kommer att ha ett spridningsförhållande på 1,1 i varje simulering. Det betyder att elementstorleken kommer att öka i storlek med 1,1 för varje element man rör sig bort från den punkt meshen är kontrollerad i.

Simuleringsvillkor - Fot

För att få så bra resultat som möjligt samt minska simuleringstiden så har endast foten tillsammans med dess ställ-fötter och ett ben använts i simuleringen. Resterande delar i konstruktionen har utelämnats från simuleringen. Ett förenklat ben bestående av endast ett rör användes i simuleringen till skillnad från det verkliga benet som är uppbyggt av tre rör. Detta singulära rör kommer även att representera den verkliga konstruktionen väldigt bra, då de tre rören i verkligheten är sammanfogade så att de tillsammans beter sig som ett enstaka rör. Denna metod används också i ROL-Ergos testlabb och benet konstruerat av ett rör motsvarar då ett höj-och-sänkbart ben upphöjt till högsta inställning. Foten och benet är sammanfogade med ett skruvförband där storleken på skruvhuvudet är 14mm, och gängdiametern är 8mm. Skruven har ett förinställt åtdragningsmoment på 8Nm.

I simuleringen används en cirkulär fixtur med en radie på 30mm som begränsar rörelse i alla led. Denna fixtur är placerad 80mm från kanten på översidan av foten och skall representera en klämma som håller foten på plats, något som används i verkliga tester. På samma sida som fixturen begränsas också ställ-foten från att röra sig nedåt. I last-fall 2 används även en likadan fixtur på den andra ställ-foten. (se figur 6 & 7)

Mesh-densiteten är kontrollerad kring skruvhålen mellan foten och benet. Detta område kommer att utsättas för mest påfrestningar, och därmed behövs ett mer exakt resultat i detta område. Resten av meshen har en elementstorlek på 15mm.

Last-fall 1 - Fot

Foten belastas genom att benet böjs med hjälp av en horisontell kraft på 300N som är placerad 900mm upp från benets lägsta punkt. Detta last-fall utförs på testlabbet på ROL Ergo, och används ofta i FEM-analyser som sker på företaget. Tanken med detta last-fall är att simulera att bordet får en ”knuff” framifrån.

Last-fall 2 - Fot

Foten belastas genom att benet utsätts för en vertikal kraft på 1200N som är placerad uppe på benet. Detta last-fall ska simulera ett värsta fall för foten där exempelvis något tungt är placerat på skrivbordsstativet precis ovanför foten.

Simuleringsvillkor – Sido-stag

Sido-staget simuleras i en sammanställning med motorhuset, resterande komponenter är inte inkluderade. Simuleringen utförs endast på ett av sido-stagen på ena sidan av bordsstativet eftersom de är helt symmetriska. Ytan där sido-staget är i kontakt med motorhuset begränsas från att röra sig i sidled. Motorhuset är definierat med en fixtur i underkant för att motverka rörelse i alla led. Sido-staget är sammansatt med motorhuset med två stavar.

Last-fall – Sido-stag

En vertikal kraft på 600N är utbredd över hela sido-stagets ovansida. Last-fallet ska simulera ett värsta fall för sido-staget där de båda två tillsammans är utsatta för 1200N.

Figur 8: Bild på simuleringsvillkoren till sido-staget

Simuleringsvillkor - Sarg

Sargen är sammansatt med motorhuset med två stavar. I det område där sargen är i kontakt med motorhuset begränsas sargen från att röra sig i sidled. Motorhuset är fixerat i underkant för att motverka rörelse i alla led. Endast en halva av ena sargen är inkluderad i simuleringen, eftersom den är helt symmetrisk.

Last-fall – Sarg

En vertikal last på 300N appliceras på sargen. Lasten verkar med ett avstånd som simulerar att lasten hamnar mitt på sargen, men påverkar endast ytan som är i direkt kontakt med bordsskivan, alltså de två yttersta rörkonstruktionerna i sargen. Detta representerar alltså en vikt av 1200N placerat mitt på bordet, jämnt fördelat mellan de fyra kontaktytorna på sargerna.

FEM-beräkningar på nuvarande komponenter

För att möjliggöra en jämförelsestudie på komponenterna så har följande resultat sparats på alla komponenter:

• SX, spänningar i X-led • SY, spänningar i Y-led • SZ, spänningar i Z-led

• P1, första principiella spänningen • P2, andra principiella spänningen • P3, tredje principiella spänningen,

• TXY, skjuvningen över XY-planet i Y-riktning • TXZ, skjuvningen över XZ-planet i Z-riktning • TYZ, skjuvningen över YZ-planet i Z-riktning • Von Mises spänningar

• URES, totala förskjutningen • ESTRN, totala töjningen • Vikt

Dessa resultat har sammanställts i kalkylblad för att få en tydlig bild över vad för resultat man får fram från beräkningarna.

Resultat frågeställning 1

1.

Vilket beteende har dagens konstruktion med hänsyn till spänningar och styvhet? Från simuleringarna på de befintliga komponenterna har 12 simuleringsresultat sparats, men det var 5 resultat som var mer väsentliga än andra. Dessa resultat beskriver den resulterande Von Mises spänningen, samt förskjutningarna i varje komponent. Huvudspänningarna i alla riktningar är också inkluderade vilket ger ett resultat för spänningarna i x, y och z led. Dessa ansågs vara de mest användbara då de tydligt beskriver vart spänningarna finns och i vilken riktning, om det drag- eller tryckspänning, samt hur komponenten deformeras. Dessa resultat kommer att sätta upp en baslinje som kommer att användas vid en framtida jämförelsestudie för att jämföra de nya koncept som tas fram senare i projektet.

Resultat av FEM-beräkningar på foten

Resultaten visar att de högsta spänningsvärdena är i x och z-led i både last-fall 1 och 2, vilket betyder att dessa är de riktningar som komponenten kommer att belastas absolut mest i. Alltså måste dessa områden hållas i åtanke när nya koncept skall designas till denna komponent. Von Mises överstiger i detta fall sträckgränsen, men detta antas försummas då de stora spänningskoncentrationerna i detta fall endast sker kring skruvhålen. Detta kan kopplas till att den kraft som läggs på foten i simuleringen är med en lång hävstång i form av benet. Förskjutningen bevisar var komponenten kommer att deformeras, vilket kommer att användas i sållningsstadiet av komponenten.

Nedan följer simuleringsresultaten på foten:

Tabell 3: Simuleringsresultat fot

Se bilaga 2 & 3 för visualisering av resultaten i tabellen.

Komponent

Fot

Referens Vikt(g)

Last-fall 1 Last-fall 2 3437

Max (-) Max (+) Max (-) Max (+)

Elemental Stress SX: X Normal Stress (MPa) 255 230 251 233

Elemental Stress SY: Y Normal Stress (MPa) 97 154 96 48

Elemental Stress SZ: Z Normal Stress (MPa) 251 201 265 181

Elemental Stress VON: von Mises Stress

(MPa) - 239 - 245

Displacement URES: Resultant Displacement

Resultat av FEM-beräkningar på sido-stag

Sido-staget visar väldigt låga spänningar i alla riktningar och låg förskjutning. Von Mises-värdet är lite högre i en punkt på komponenten och det anses vara ett mindre beräkningsfel då det endast är ett element som belastas markant mer än närliggande element. De övriga resultaten tyder på att komponenten har goda förutsättningar för att utföra viktminskning på.

Nedan följer simuleringsresultaten på sido-stag:

Komponent:

Sido-stag

Referens Vikt(g):

Last-fall 1 1137

Max (-) Max (+)

Elemental Stress SX: X Normal Stress (MPa) 24 30

Elemental Stress SY: Y Normal Stress (MPa) 28 26

Elemental Stress SZ: Z Normal Stress (MPa) 60 61

Elemental Stress VON: von Mises Stress (MPa) - 127

Displacement URES: Resultant Displacement

(mm) - 0,9

Tabell 4: Simuleringsresultat sido-stag

Resultat av FEM-beräkningar på sargen

Resultaten visar låga spänningskoncentrationer i y-led, med lite högre koncentrationer för x- och z-led. Även von Mises är något högre, men fortfarande marginellt under sträckgränsen. Resultaten säger också att spänningarna i x- och z-led är de som bör hållas som mest i åtanke när viktminskningar skall utföras på denna komponent. Förskjutningen är relativt låg med tanke på den hävarm som förekommer i denna långa komponent.

Nedan följer simuleringsresultaten på sargen:

Komponent:

Sarg

Referens Vikt(g):

Last-fall 1 3090

Max (-) Max (+)

Elemental Stress SX: X Normal Stress (MPa) 101 102

Elemental Stress SY: Y Normal Stress (MPa) 49 69

Elemental Stress SZ: Z Normal Stress (MPa) 153 34

Elemental Stress VON: von Mises Stress (MPa) - 158

Displacement URES: Resultant Displacement

(mm) - 3,3

Tabell 5: Simuleringsresultat sarg

Resultat frågeställning 2

2. Hur utformar man koncept som väger mindre än de ursprungliga komponenterna men bibehåller dess mekaniska egenskaper?

För att besvara frågeställning 2 så krävdes det att ha en djup förståelse för vad varje komponent har för uppgift. Därefter krävdes det att göra en grundläggande analys av de simuleringsresultat som tagits fram i projektet. Genom att analysera var spänningar befinner sig i komponenterna kan man besluta hur ett lättviktskoncept skulle kunna utformas.

Genom att definiera en baslinje från de FEM-beräkningar som gjordes tidigare i projektet har man kunnat beskriva vad de nya komponenterna ska uppfylla för egenskaper. De nya koncepten kommer sedan att beräknas på samma sätt som de nuvarande komponenterna.

Denna insamlade data kan sedan appliceras när produktutvecklingsprocessen används för att ta fram de nya koncepten.

MoSCoW

Must have Should have Could have Won't have

De nya komponenterna ska väga mindre än originalet.

De nya komponenterna ska uppfylla nuvarande säkerhetskrav som är bundna till

skrivbordsstativet.

Följa ROL Ergos designspråk Material av annan typ än ROL-Ergos nuvarande produkter Lättviktslösningarna

ska passa de tidigare dimensionerna till infästningarna: C-C Mått mellan sarg & motorhusets långsida (160mm)

C-C Mått mellan fot och ben (44mm) C-C Mått mellan sido-stag & motorhusets kortsida (80mm) (se bilaga 1)

Lättviktslösningarna ska bidra till att stativet förblir stabilt

Universell passform till ROL-Ergos andra skrivbordsstativ

Ändringar på resterande delar

Kravspecifikation

En kravspecifikation uträttas för att definiera vad som skall uppfyllas i projektet. Kravspecifikationen baseras på krav ställda av ROL Ergo på projektet. I detta fall används en variant av kravspecifikation som kallas MoSCoW. Samtliga krav under ”Must have” skall uppfyllas för att projektet ska lyckas. Kraven som ställts på projektet är bland annat att de ska passa resterande delar av stativet, väga mindre än originalen, och behålla nuvarande egenskaper och funktioner (se tabell 6). Samtliga krav har ställts i samråd med ROL Ergo.

Funktionsanalys

En funktionsanalys utförs för att tydligt specificera vilka funktioner som de viktoptimerade komponenterna skall innefatta. Funktionerna skall uppfyllas för att fullfölja de uppgifter som de är ämnade till att utföra. Funktionerna under klass ”H” och ”N” skall uppfyllas för att projektet skall lyckas, och funktioner under ”Ö” är inte nödvändiga men är ett plus om de tillförs. Samtliga funktioner har ställts upp i samråd med ROL Ergo.

Funktion

Klass Anmärkning

Vara Konstruktionsoptimerad H Vikt/design/konstruktion

Vara Lättare N Jämfört med befintlig

Bära Last N 120kg

Möjliggöra Fäste N För andra komponenter

Erbjuda Stabilitet N Som befintlig

Vara Säker N Förhindra skador

Bibehålla Funktionalitet N Justerbarhet

Äga Design Ö Följa designspråk

Utstå Slitage Ö Dagligt användande

Uttrycka Kvalité Ö Konstruktionsmässigt

Tabell 7: Funktionsanalys

Konceptgenerering

Genom att analysera resultaten av FEM-beräkningarna på de nuvarande komponenterna så kunde flertalet slutsatser dras kring utformningen av komponenterna. Med hjälp av simuleringsresultaten på foten kunde slutsatser dras kring var den kräver styrka i konstruktionen. Exempelvis är det stora spänningar på foten kring skruvhålen för benet, och ett antagande kan därför göras att foten behöver vara stark i det området (se figur 10 & 11). Sido-stagets simuleringsresultat visar bland annat på stora områden som har låga

Simuleringsresultaten på sargen visar att området kring ett av skruvhålen som fäster sargen till motorhuset kommer att anta höga spänningsvärden. Området kommer därmed vara viktigt att ta hänsyn till under konceptgenereringen, då detta område bör förbli starkt för att det skall kunna bibehålla sina egenskaper. (se figur 13).

Denna information användes sedan i en brainstorming-session där nya koncept skisserades på papper. Dessa skisser visualiserade alla former innan de togs vidare till CAD. (se bilaga 6)

Konceptgenerering fot

Foten är grunden i hela stativets konstruktion. Utan en stabil fot så kommer hela stativet att vara ostabilt. Simuleringarna på foten (se bilaga 2 & 3) har lett till både nytänkande idéer, samt förenklade versioner av den nuvarande foten.

Koncept 1

Det första konceptet på foten är en simpel bockad plåt. Bockningarna är tänkta att vila på varandra för att förstärka upp konstruktionen.

Figur 14: Koncept 1, fot

Koncept 2

Koncept 2 utnyttjar två bockade plåtar, där en plåt agerar som ett skal, och den andra agerar som ett skelett för att förstärka konstruktionen.

Figur 15: Koncept 2, fot

Koncept 3

Koncept 3 är ett koncept som är inspirerat av kontorsstolars fötter. Genom att böja ett rör med en viss godstjocklek, och sedan pressa ut mitten av röret kan man få en fästpunkt för benet.

Koncept 4

Det fjärde konceptet använder samma metod som koncept 2, med ett skal och ett ”skelett”. Bockningarna gör konstruktionen stark och styv.

Figur 17: Koncept 4, fot

Koncept 5

Koncept 5 är en förbättrad version av koncept 3, där röret antar en mer oval form. Även här pressas röret för att erbjuda en fästpunkt till benet.

Figur 18: Koncept 5, fot

Koncept 6

I stället för att arbeta med runda former testades här att ta fram ett koncept med kvadratiska rör. Konstruktionen innefattar två delar, fotens konstruktion och en plattform för att möjliggöra en fästpunkt för benet.

Konceptgenerering sido-stag

Sido-staget ska bidra till att skrivbordsstativet förblir stabilt när det belastas på långsidan. Det nuvarande sido-staget är en utskuren bockad plåt. Den har en form så att den kan fästas både i motorhuset och samtidigt fungera som fästpunkt för bordsskivan. Genom att simulera staget i SolidWorks (se bilaga 4) kunde slutsatser dras kring hur ett nytt, vikt-optimerat sido-stag skulle kunna se ut.

Koncept 1

Det första framtagna konceptet formades efter en analys av simuleringsresultaten. Konceptet utformades genom att behålla material i de områden där spänningar infinner sig, och ta bort material där det finns få spänningar.

Figur 20: Koncept 1, sido-stag

Koncept 2

Koncept 2 anammade samma princip som koncept 1, att ta bort material där det inte behövs. I stället för att göra utskärningar har man skurit bort material i utkanterna och i mitten av sido-staget där det minst behövs.

Figur 21: Koncept 2, sido-stag

Koncept 3

Det tredje konceptet är en påbyggnad av koncept 2, där en simpel bockning har lagts till för att förstärka den övre skenan. Bockningarna stärker konstruktionen genom att leda bort påfrestningarna som sido-staget utsätts för.

Figur 22: Koncept 3, sido-stag

Koncept 4

Koncept 4 bygger vidare på koncept 2. Här har mycket av det underliggande materialet tagits bort och formen på den undre delen förändrats.

Figur 23: Koncept 4, sido-stag

Koncept 5

Genom att fortsätta samma tänk med de förstärkande bockningarna, så togs ett koncept fram där ännu mer material togs bort. Även här förstärktes skruvhålen till bordsskivan med hjälp av bockningar.

Koncept 6

Koncept 6 utnyttjar styrkan av triangelns form. Det är en plåt som är bockad två gånger och är sedan tänkt att svetsas ihop för att ytterligare stärka upp konstruktionen. Utskärningar är gjorda på undersidan för att kunna komma åt skruvhålen.

Figur 25: Koncept 6, sido-stag

Koncept 7

Koncept 7 är en förbättring av koncept 6, där ytterligare utskärningar har gjorts för att minska vikten samt enklare komma åt skruvhålen till bordsskivan.

Konceptgenerering sarg

Den nuvarande sargen är bestående av fem olika komponenter, två ytter-skenor, en innerskena och två skivor med två gängade hål i. Skenorna uppbyggs på ett vis att de kan antaga längder mellan 1100mm och 1950mm. Sargen fästs i motorhuset som i sin tur skruvas fast i benet. Simuleringarna av denna komponent (se bilaga 5) visade tydligt var det fanns möjlighet att bespara material från komponenterna. Utifrån detta togs fem koncept fram till sargen. Dessa koncept presenteras nedan.

Koncept 1

Det första konceptet på sargen bygger på en förenklad version av originalet. Konceptet är uppbyggt av två bockade plåtar och har möjlighet till att både ställa in längden, samt skruva fast bordsskivan i sargen med samma skruvar. Godstjockleken är 2mm i alla komponenter, precis som i originalet.

Figur 27: Koncept 1, sarg

Koncept 2

Det andra konceptet har utgått från en enkel bockad plåt, med en innerskena snarlik originalet. De två skenorna använder samma skruvar som till bordsskivan för att låsas på plats. Konceptet har samma godstjocklek som originalet, men genom att använda en triangelform i ena änden så förstärks konstruktionen. Dessvärre förhindrar denna triangelform förkortning av sargen hela vägen, något som eventuellt behöver utvecklas i senare skede.

Koncept

3

Koncept tre utgår från den originella sargen formmässigt. Viktbesparingar har i stället gjorts i form av lägre godstjocklek samt diverse utskärningar. Detta koncept låser fast skenorna med hjälp av skruvarna som fästs i bordsskivan.

Figur 29: Koncept 3, sarg

Koncept 4

Detta koncept består av en yttre skena gjord av bockad plåt, med en triangelformad konstruktion på den inre skenan. Tanken är att spara mycket vikt med den yttre skenan som är gjord av bockad plåt, men samtidigt behålla en stark konstruktion på den inre skenan. Detta koncept använder en klämplatta för att låsa fast skenorna. Likt originalet är godstjockleken på klämplattan 3mm och 2mm på de andra komponenterna.

Koncept

5

I detta koncept har viktbesparingar gjorts med hjälp av att minska höjden på både den yttre och inre skenan. Väl uttänkta urskärningar har även gjorts för att ytterligare minska vikten. Likt originalet använder den sig av en klämplatta för att låsa fast skenorna. Även godstjockleken på de olika delarna är samma som i originalet.

Simulering av koncept

Samtliga koncept har gått igenom de simuleringar och last-fall som tidigare specificerats i rapporten. Dessa resultat sammanställs i ett kalkylblad och där jämförs vikt, spänning, töjning samt förskjutning. (Se bilaga 7–13)

Dessa parametrar kommer att lägga grunden till sållningen. De olika resultat och de olika last-fall som använts i projektet har kommit att användas på olika sätt beroende på vilken komponent som jämförs.

Sållning

Pugh’s beslutsmatris användes för att sålla de olika koncepten som togs fram. Matrisen användes i två etapper där den första sållningen användes på alla koncept. På så sätt sållades de koncept som var förhållandevis dåliga jämfört med de nuvarande komponenterna ut. De koncept som till exempel hade för hög förskjutning eller översteg sträckgränsen på materialet fick ett negativt värde för stabilitet och hållfasthet i Pughs beslutsmatris, vilket var högt viktat. Dessa koncept hade därför inte stor chans att gå vidare till nästa steg i sållningen.

Den andra sållningen ställde de koncept som var rimliga att ta vidare i utvecklingen mot varandra. I detta fall viktas kraven ytterligare en gång för att få en tydlig bild av vilka koncept som är bättre än de andra. Viktningen kommer leda till stora skildringar i de krav som viktas högt, alltså hållfasthet, vikt, och stabilitet. Dessa krav innefattar huvudmålet mer projektet och därmed kommer dessa krav bestämma vilka komponenter som tas vidare.

Krav för sållningen

Kravet på hållfasthet i foten mättes genom att jämföra förskjutningar i last-fall 2. Kravet på vikt mäts genom att jämföra den nuvarande komponentens vikt och det nya konceptet, vilket innebar att om konceptet väger mindre så får det ett plus i Pughs matris.

Huruvida koncepten är bättre design-, tillverknings-, monterings, och paketeringsmässigt jämfört med originalen avgjordes tillsammans med ingenjör Sulaymon Valizoda på ROL Ergo. Volym(höjd) avgör om foten är större volymmässigt. Stabiliteten uppskattades genom att jämföra förskjutningen i last-fall 1, då det simulerar att stativet får en knuff.

De övriga komponenterna (sarg & sido-stag) var mätbara på motsvarande sätt som foten, skillnaden var att hållfastheten mättes genom att jämföra Von Mises spänningen. Då höga spänningsvärden uppkommer i simuleringsresultaten till både den ursprungliga foten samt de nya koncepten så har detta resultat valts att exkluderas från sållningen i detta fall då orättvisa resultat kommer att uppstå.

Sållning fot, etapp 1

När foten sållades i första etappen så togs fot 2 och 6 vidare, då båda koncepten visade på en viktminskning samt en bra hållfasthet. Båda koncepten visar på olika styrkor och svagheter i sållningsmatrisen. Se tabell nedan.

Koncept

Krav Viktning Referens 1 2 3 4 5 6

Hållfasthet 4 0 - + - - - + Vikt 5 0 + + + + + + Design 3 0 0 0 - + + + Tillverkningsvänlighet 1 0 + + 0 - 0 - Monteringsvänlighet 2 0 0 0 0 - 0 - Paketering 1 0 0 0 - 0 - - Volym(höjd) 2 0 0 - - + - - Stabilitet 4 0 - - + - - + Totalt -2 4 -1 -1 -3 10

Vidare sållning? Nej Ja Nej Nej Nej Ja

Sållning sido-stag, etapp 1

I första sållningsetappen för sido-staget togs koncept 2, 5 & 7 vidare. Koncepten visade på bra viktoptimering, hållfasthet och storlek, vilket gjorde att de fick ett högt totalresultat. Se tabell nedan.

Tabell 9: Pugh:s beslutsmatris, sido-stag

Koncept

Krav Viktning Referens 1 2 3 4 5 6 7

Hållfasthet 4 0 - + + - + + + Vikt 5 0 + + + + + - + Design 3 0 - 0 0 0 + + + Tillverkningsvänlighet 1 0 0 0 - - 0 - 0 Monteringsvänlighet 2 0 0 0 0 0 0 0 0 Paketering 1 0 + + + + + + + Volym 2 0 + + + + + 0 + Stabilitet 4 0 - + - - - + - Totalt -3 16 7 -1 11 6 11

Sållning sarg, etapp 1

I första sållningsetappen för sargen gick endast koncept 1 och 5 vidare till nästa steg. Detta för att det är en komplicerad del att viktoptimera. Koncept 2, 3 och 4 hade dålig hållfasthet, vilket innebar att de koncepten fick lågt totalresultat. Se tabell nedan.

Tabell 10: Pugh:s beslutsmatris, sarg

Koncept

Krav Viktning Referens 1 2 3 4 5

Hållfasthet 4 0 0 - - - 0 Vikt 5 0 + + + + + Design 3 0 0 0 0 0 0 Tillverkningsvänlighet 1 0 0 - - - 0 Monteringsvänlighet 2 0 + - - 0 0 Paketering 1 0 + + - 0 + Volym 2 0 + + + + + Stabilitet 4 0 - - - - 0 Totalt 5 -4 -4 -2 8

Sållning fot, etapp 2

Båda fötterna tas vidare i detta fall. Anledningen till att två fötter gick vidare är för att dess resultat i Pughs matris blev snarlika, och ROL Ergo ville testa båda koncepten då de hade olika styrkor och svagheter. Se tabell nedan.

Koncept Krav Viktning Poäng 1 2

Hållfasthet 4 1-3 3 3 Vikt 5 1-3 2 1 Design 3 1-3 2 3 Tillverkningsvänlighet 1 1-3 2 1 Monteringsvänlighet 2 1-3 2 2 Paketering 1 1-3 3 1 Volym(höjd) 2 1-3 3 1 Stabilitet 4 1-3 1 3 Totalt 47 46 Vidareutveckla? Ja Ja

Sållning sido-stag, etapp 2

Koncept 3 till sido-staget visar på bäst resultat i andra sållningsstadiet, och väljs därav att tas vidare i utvecklingen. De andra koncepten är snarlika, men det som gör att koncept 3 gick vidare är att det är absolut mest vikt-optimerat och samtidigt behåller sin hållfasthet. Se tabell nedan.

Koncept Krav Viktning Poäng 1 2 3

Hållfasthet 4 1-3 3 2 2 Vikt 5 1-3 1 2 3 Design 3 1-3 1 1 3 Tillverkningsvänlighet 1 1-3 3 3 2 Monteringsvänlighet 2 1-3 3 3 2 Paketering 1 1-3 2 2 2 Volym(höjd) 2 1-3 2 3 3 Stabilitet 4 1-3 3 2 2 Totalt 47 46 54

Vidareutveckla? Nej Nej Ja

Sållning sarg, etapp 2

Koncept 2 till sargen tas vidare, då det visar sig ha bra styrkor och samtidigt vara vikt-optimerat. Det andra konceptet är mer vikt-optimerat, men har en mycket lägre hållfasthet vilket ledde till att konceptet inte vidareutvecklas. Se tabell nedan.

Koncept Krav Viktning Poäng 1 2

Hållfasthet 4 1-3 2 3 Vikt 5 1-3 3 1 Design 3 1-3 1 2 Tillverkningsvänlighet 1 1-3 2 2 Monteringsvänlighet 2 1-3 1 2 Paketering 1 1-3 3 3 Volym(höjd) 2 1-3 2 2 Stabilitet 4 1-3 1 3 Totalt 41 48 Vidareutveckla? Nej Ja

Vinnande koncept från sållning

Den slutgiltiga sållningen ledde till att två fötter, en sarg och ett sido-stag skulle tas vidare i projektet.

Fot: Koncept 2

Detta koncept består av två bockade plåtar som ska tänkas samarbeta ihop för att både förstärka upp konstruktionen, samt vara designmässigt attraktiva. Den inre plåten är tänkt att ha en passform som ligger i kontakt mot skalet. Detta förstärker i sin tur konstruktion. Genom att dra skruvar genom den undre plåten upp till benets gängade hål så kommer konstruktionen sammanfogas. Ställ-fötterna kommer också att gängas upp i den undre plåten.

Figur 32: Fot, koncept 2

Fot: Koncept 6

Koncept 6 är en unik konstruktion design-mässigt. Genom att höja foten på detta sätt belastas konstruktionen på ett helt annorlunda sätt jämfört med den ursprungliga foten. Det är tillverkat med hjälp av en rörkonstruktion, med en adderad bockad plåt för att möjliggöra en fästpunkt till benet. För att möjliggöra gängning av ställfötterna så har också en plåt adderats till i ytorna under foten.

Figur 34: Fot, koncept 6

Sido-stag: Koncept 7

Sido-staget består av en bockad plåt som till sist skall svetsas ihop. Konceptet har gjort stora viktbesparingar genom att göra uttänkta materialbesparingar där det inte behövs material, samt förstärka konstruktionen i det område där spänningar infinner sig. Detta koncept visar på stora viktbesparingar trots hög hållfasthet.

Figur 36: Sido-stag, koncept 7

Sarg: Koncept 4

Detta koncept består av en förminskad version av originalsargen, med materialbesparingar på flera ställen där sargen är minst påfrestad. Konceptet kommer att fungera likadant som originalsargen, alltså behålla samtliga funktioner. Det tillverkas också på samma sätt som originalet, då det behåller rörkonstruktionerna fast i mindre dimensioner.

Vidarearbete efter sållning

Efter den slutgiltiga sållningen utfördes vissa förändringar och förbättringar på de vinnande koncepten.

Sargen anpassades för att ha en symmetrisk yttre skena. På så sätt kan samma komponent användas för hela stativet, i stället för att behöva en höger- och en vänsterorienterad komponent. För att uppnå detta lades ytterligare utskärningar för skruvhål till, samt så förändrades vissa mått.

På sido-staget flyttades utskärningen och skruvhålet på den ytan som skall ha kontakt med bordsskivan. De flyttades närmre mitten av ytan för att vara lättare att komma åt vid montering. Vissa komponenter kom också att förändras innan delarna skickades för prototyptillverkning. I och med att tillverkningsmetod var avgränsat i projektet så dimensionerades inte komponenterna efter någon specifik standard. Detta ledde till att prototyperna som skulle tillverkas inte kunde beställas som de var eftersom de inte följde någon standard. Det krävdes därför att alla komponenter som innefattade rörkonstruktioner modellerades om för att passa en rörstandard. De komponenter som modellerades om var koncept 6 av foten och sargen då det är dessa som innefattar rörkonstruktioner.

Figur 41: Rendering av sarg

Prototyp

Projektet har avgränsats enligt att endast ta fram prototyper i uppvisningssyfte. Därför har prototyperna tagits fram för att visa hur komponenterna kan se ut och inte för att testa dess egenskaper. Som tidigare nämnt i rapporten har detta också lett till att diverse mindre förändringar har utförts på komponenterna för att kunna möjliggöra prototyptillverkning. Komponenterna har bland annat anpassats på ett sätt som gör att ROL Ergo har möjlighet att beställa komponenterna enligt till exempel olika standarder på rörkonstruktioner.

Prototyperna är tillverkade i samma material som de ursprungliga komponenterna samt på ett sätt som efterliknar det riktiga tillverkningssättet så gott det går, givet förutsättningarna. Då det fanns en viss avsaknad av lämpliga maskiner för prototyptillverkningen på skolans metallverkstad så har vissa kompromisser varit nödvändiga att utföra. Exempelvis så har prototypen på sido-staget delats och sedan svetsats en gång mer än vad den skall för att ersätta en bockning. Prototyperna har inte heller lackerats eller vidare bearbetats.

Resultat frågeställning 3

3. Hur stora viktbesparingar kan göras på komponenterna?

Denna frågeställning knyts till de beräkningar och koncept som tagits fram tidigare i rapporten. Genom att jämföra de simuleringsresultat som gjorts på samtliga komponenter kan slutsatser dras kring deras utformning, styrka och styvhet. De koncept som tagits fram har visat på både väl gjorda viktbesparingar som behåller styrka och styvhet, men också koncept som visat sig vara icke fungerande då de visat sig vara för svaga i deras utformning. Detta betyder att viktbesparing kan göras, men endast till en viss grad.

Fot

Koncept 2 och 6 visar på olika styrkor och svagheter, då koncept 2 är 31% lättare än originalfoten (2393 gram), och koncept 6 är 15% lättare än originalfoten (2921 gram). Förskjutningarna i de två last-fallen skiljer sig dock förhållandevis mycket, då i koncept 2 finns en förskjutning på 12,8mm, och i koncept 6 endast 3mm jämfört med originalets 7,4mm. Förskjutningarna i det andra last-fallet är mer snarlikt då koncept 2 har en förskjutning på 0,39mm och koncept 6 0,24mm jämfört med originalets 0,46mm. I detta fall visar sig båda koncepten prestera bättre än den ursprungliga komponenten.

Komponent Ursprunglig Koncept 2 Koncept 6

Vikt(gram) 3437 2393 2921 Viktminskning (%) - 31 15 Förskjutning last-fall 1 (mm) 7,4 12,8 3 Förskjutning last-fall 2 (mm) 0,46 0,39 0,24

Sido-stag

Det sido-stag som togs fram väger 642 gram, vilket leder till en viktbesparing på 44% jämfört med originalkomponenten som väger 1137 gram. Den jämförelse som gjorts i simuleringsresultaten visar att det nya konceptet får en förskjutning på 1mm, jämfört med originalets 0,86mm. Det är en sämre förskjutning men antas vara försumbar då 0,14mm skillnad inte är markant sämre. De spänningar som uppstår i komponenterna kan lätt jämföras genom att titta på simuleringsresultatet i Von Mises. Det nya konceptet har ett Von Mises värde på 100 MPa, jämfört med originalkomponentens 127 MPa vilket visar sig vara lite bättre i detta fall.

Tabell 15: Resultat, sido-stag

Sarg

Sargen som togs fram väger 2675 gram jämfört med originalets 3090 gram. Det leder till en viktbesparing på 13% jämfört med originalkomponenten. Den förskjutning som uppstår i simuleringarna på det nya konceptet uppkom till 3,3mm, vilket är precis samma resultat som i originalkomponenten. Von Mises värdet på komponenten uppgick till 173 MPa på det nya konceptet jämfört med originalkomponentens 158 MPa. Resultatet visar att den nya sargen är sämre spänningsmässigt men den uppgår inte till elasticitetsmodulen på materialet vilket är 220 MPa. Då simuleringen antas vara ett värsta-fallscenario så är förhoppningen att sargen inte kommer att påverkas värre än vad simuleringen säger, alltså aldrig uppnå ett högre Von Mises värde än det som simulerades.

Komponent Ursprunglig Lättviktskoncept

Vikt (gram) 3090 2488

Viktminskning (%) - 19

Förskjutning (mm) 3,3 3,3

Von Mises (MPa) 158 173

Tabell 16: Resultat, sarg

Komponent Ursprunglig Lättviktskoncept

Vikt (gram) 1137 642

Viktminskning (%) - 44

Förskjutning (mm) 0,86 1

Total viktminskning

Totalt väger samtliga ursprungliga komponenter 7664 gram. Beroende på vilken fot som väljs så väger de nya lättviktskomponenterna totalt 5523 respektive 6051 gram. Den viktminskning som projektet innefattar blir därmed 28% eller 21%. I och med att samtliga simuleringar har utgått från ett värsta-fallscenario så skall inte komponenterna deformera sig. De skall heller inte innefatta spänningar som påverkar komponenterna på ett sätt som bidrar till ostabilitet i den fullständiga konstruktionen.

Komponent Ursprunglig Lättviktskoncept,

Fot 2

Lättviktskoncept, Fot 6

Vikt (gram) 7664 5523 6051

Viktminskning (%) - 28 21

Tabell 17: Total viktminskning