i
Examensarbete
Saab
Design av nytt mekaniskt fästningssystem
för fiberoptiska gyroskop
Huvudområde: Produktutveckling och Design Författare: Amandus Sundström, Oskar Nävsjö Handledare:Christopher Wadman
ii
Examensarbete är utfört vid Tekniska Högskolan i Jönköping inom Design. Författarna svarar själva för framförda åsikter, slutsatser och resultat.
Examinator: Jonny Tran
Handledare: Christopher Wadman Omfattning: 15 hp
iii
Abstract
This report describes a study in collaboration with Saab Avionics in Huskvarna-Sweden. The aim of the project was to develop, and investigate, different concepts and develop a prototype of a mechanical fastening system whose purpose was to keep a fiber optic gyroscope in place. The direction and working methods of the project were left open with the intention of not limiting the creative process with previous concepts and ideas.
The challenges faced by the project have been to meet the predefined spatial limitations to allow for backwards compatibility with earlier products, while considering manufacturing methods and cost. The design was to be mounted into already existing products, which placed limitations on height, depth, and width for the final design.
The work has been carried out as a concept study and has followed a pre-planned product development process. The project has undergone an initial phase, where information was collected, objectives and requirements were set up, and a project planning was established. Subsequently, a longer concept generation process was carried out and the sifting and evaluation of the resulting concepts was carried out. The iterative process that characterizes product development resulted in many of the selected concepts being revised and evaluated several times.
The study resulted in one of the developed concepts moving forward and it was 3d-printed as a prototype. The principle the prototype was based on was that two O-rings were mounted in two milled notches placed at the bottom of the design. These O-rings held the gyroscope in place while allowing for the tolerance of ±0.3 mm that must be considered. The prototype then underwent testing and evaluation to the extent that the project was allowed.
The conclusions that could be drawn at the end of the study were that the concept study and the resulting prototype laid a good foundation that could be used by Saab for further
development of a mechanical fastening system. In order to allow the prototype to become a complete product that can be offered on the market, further work is required in the form of design optimization. An aluminum prototype should be developed to carry out more precise environmental tests. The final design reached a height of 21.4 mm, but if further testing can determine whether the friction cloth, which is used at the bottom to counteract rotation of the gyroscope, is superfluous, the height of the design can be reduced and approach the target height of 21 mm.
iv
Sammanfattning
Rapporten behandlar ett projekt i samarbete med Saab Avionics i Huskvarna-Sverige. Målet för projektet var att ta fram en prototyp på ett mekaniskt fästningssystem vars syfte var att hålla ett fiberoptiskt gyroskop på plats. För att nå projektets mål, att ta fram en prototyp, måste ett antal olika koncept tas fram och utvärderas. Projektets riktning och arbetssätt lämnades öppet med avsikten att inte begränsa den kreativa processen med tidigare koncept och tankegångar. De utmaningar projektet ställts iför har varit att uppnå de utsatta kraven på dimensioner som satts ut, samtidigt som hänsyn till tillverkningsmetoder och kostnad togs in i beräkning. Konstruktionen skulle monteras in i redan existerande produkter vilket satte begränsningar i avseende på höjd, djup och bredd för den slutgiltiga designen.
Arbetet har genomförts som en konceptstudie och har följt en förplanerad produktutvecklingsprocess. Projektet har genomgått en inledande fas, där information samlades in, mål och krav sattes upp, och en projektplanering upprättades. Därefter genomfördes en längre konceptgenereringsprocess samt sållning och utvärdering av de resulterande koncepten. Den iterativa processen som kännetecknar produktutveckling resulterade i att många av de utvalda koncepten reviderats och utvärderats ett antal gånger. Studien resulterade i att ett av de framtagna koncepten gick vidare och 3d-printades fram som en prototyp. Principen prototypen bygger på var att två o-ringar monterades i två utfrästa skåror placerade i botten på konstruktionen. Dessa o-ringar håller gyroskopet på plats samtidigt som de tillåter för den tolerans på ±0.3 mm som måste tas hänsyn till. Prototypen genomgick sedan testning och utvärdering i den mån projektet tilläts.
De slutsatser som kunde dras vid slutet av studien var att konceptstudien och den resulterande prototypen lagt en god grund som kan användas av Saab för vidare utveckling av ett fästningssystem. För att prototypen skall kunna bli en komplett produkt som kan erbjudas på marknaden krävs vidare arbete i from av designoptimering. En prototyp i aluminium bör tas fram för att genomföra mer precisa miljötester på. Den slutgiltiga konstruktionen uppnådde en höjd på 21.4 mm men om ytterligare testning kan avgöra om friktionsduken, som används i botten för att motverka rotation av gyroskotet, är överflödig kan konstruktionens höjd minskas och närma sig målhöjden på 21 mm.
v
Innehållsförteckning
1 Introduktion ... 1
1.1 Bakgrund ... 1
1.2 Problembeskrivning ... 2
1.3 Syfte och frågeställningar ... 4
1.4 Avgränsningar ... 4 1.5 Disposition ... 4 2 Teoretisk bakgrund ... 5 2.1 Summering ... 5 2.2 Produktutveckling ... 5 2.3 Projektledning ... 6 2.4 Konceptgenerering ... 6
2.5 Computer Aided Design - (CAD) ... 6
2.6 Gyroskop ... 7 2.7 ISO-standard ... 7 SS-ISO 965/2 ... 7 SS-ISO 674 ... 7 2.8 Prototyp ... 8 2.9 3D-printing ... 8 3 Metoder ... 9 3.1 Faktainsamling ... 9 3.1.1 Förstudie ... 9 3.1.2 Observation ... 9 3.1.2 Intervju ... 9 3.2 Planering ... 10 3.2.1 Stage-Gate modellen ... 10
3.2.1 Lean product development system (LPDS) ... 11
3.2.1 Gantt schema ... 11 3.2.2 Pert ... 12 3.2.2 Detaljplan ... 13 3.2.3 Kravspecifikation ... 13 3.2.5 Funktionsträd ... 13 3.3 Konceptgenererings metoder ... 14 3.3.1 Dark Horse ... 14 3.3.2 Brainstorming ... 15 3.3.3 Brainwriting ... 15 3.3.4 Morfologisk matris ... 15
vi
3.4 Konceptsållnings metoder ... 17
3.4.1 Go/No-go ... 17
3.4.2 Pughs matris ... 17
3.4.3 Design For Assembly (DFA) ... 18
3.4.4 Design For Manufacturing (DFM) ... 19
4 Tillämpad lösningsmetodik och genomförande ... 20
4.1.1 Övergripande projektstuktur ... 20 4.1.2 Planerings struktur ... 20 4.2 Projektplanering ... 20 4.2.1 Förstudie ... 20 4.2.2 Gantt schema ... 21 4.2.3 Funktionsbeskrivning ... 21 4.2.4 Kravspecifikation ... 21 4.3 Konceptframtagningsprocessen ... 22 4.3.1 Dark Horse ... 22 4.3.2 Brainstorming ... 22 4.3.3 Brainwriting ... 23 4.3.4 Morfologisk matris ... 23
4.3.5 Generell beskrivning av konceptkategorier ... 24
4.4 Konceptsållning ... 26
4.4.1 Go/No-go ... 26
4.4.2 Phugs matris ... 26
4.5 Modifiering och vidareutveckling ... 27
4.5.1 Teknisk-feedback ... 27 4.5.2 Konceptuell omvärdering ... 29 4.5.3 Konceptgenerering 2 ... 29 4.5.4 Modellering ... 29 4.5.5 Koncept ... 30 4.5.6 Koncept feedback ... 34 4.6 Konceptval ... 35 4.6.1 Analys av koncept ... 35 4.6.2 Val av koncept ... 35
4.6. Teknisk beskrivning av design ... 36
4.6.4 Prototypframtagning ... 38
4.7 Chocktest... 39
5 Resultat ... 40
vii
5.2 Frågeställning 2 ... 41
5.3 Frågeställning 3 ... 41
6 Diskussion och slutsatser ... 42
6.1 Slutsatser och rekommendationer ... 42
6.2 Vidare arbete ... 43
7 Referenser ... 45
8. Bilagor ... 48
Fiberoptiskt Gyroskop – (FOG) ... 48
Sagnac effekten ... 48
1
1 Introduktion
1.1 Bakgrund
Examensarbetet genomfördes som en del i utbildningen Maskinteknik, Produktutveckling och Design vid Jönköping University. Examensarbetet redovisar en konceptstudie av ett
mekaniskt fästningssystem för nästa generations fiberoptiska gyroskop hos Saab Avionics i Huskvarna.
Saab Group är idag ett världsledande företag inom försvarsindustrin, med sitt huvudsakliga fokus på att leverera lösningar inom flygindustrin. Företaget grundades 1937 i Trollhättan och har idag sitt huvudkontor i Stockholm. 2019 omsatte Saab över 35 000 miljarder kr och hade fler än 17 000 anställda i över 30 länder [1]. Koncernen består idag av Saab Aeronautics, Saab Dynamics, Saab Surveillance, Saab Support and Services, Saab Industrial Products and Services och Saab Kockums.
Examensarbete har genomförts i samarbete med Saab Avionics, en del av Saab Industrial Products and Services, som fokuserar på att utveckla lösningar till flygindustrin och har sitt kontor i Huskvarna.
Saab Avionics har idag behov av ett nytt mekaniskt fästningssystem för nästa generations fiberoptiska gyroskop (FOG), en konstruktion som mäter rotation i en axel. Rotationsdatan används sedan för att orientera, stabilisera och vägleda, i Saabs fall, robotar och stridsvagnar. Det fiberoptiska gyroskopet har genomgått ändringar i dess design vilket innebär att deras nuvarande fästningssystem inte längre är kompatibelt med nästa generations fiberoptiska gyroskop.
Försvarsindustrin är i ständig utveckling och konkurrensen är hård. Den hårda konkurrensen gör att vidareutveckling av redan existerande produkter och ständigt innovativt tänkande är ett måste för att ett företag ska förbli ett relevant alternativ på den globala marknaden. På grund av gyroskopets design ändring krävs en ny design på fästningssystemet som ska vara kompatibel med både gyroskopet och det redan existerande stativet. Eftersom det nya alternativet måste vara kompatibelt med existerande stativ innebär det att fästningssystemet redan har en bestämd hålbild som måste implementeras i den nya designen vilket ger en begränsning för det nya fästningssystemets form och storlek.
2
1.2 Problembeskrivning
I Saabs tidigare gyroskop var komponenterna placerade i en cirkel runt gyroskopet med ett gängat skruvhål i mitten vilket möjliggjorde att montera gyroskopet i ett fästningssystem med en centralt placerad skruv (Se figur 1). Skruven förhindrade dessutom gyroskopet från att rotera och röra sig fritt inom fästningssystemet. På det nya fiberoptiska gyroskopet finns inte längre det centrala skruvhålet och en lösning för att hålla gyroskopet på plats måste tas fram för att kunna gå vidare med nästa generations fiberoptiska gyroskop. Inom ramen att examensarbetet ligger det två primära problem som måste lösas, det första blir att det mekaniska fästningssystemets design och det andra att ta fram den interna fästningen av gyroskopet i den nya designen. När FOG systemet levereras till kund består enheten av ett stativ, ett varierande antal kretskort, 1–3 fiberoptiska gyroskop och ett skydd i form av ett lock som monteras runt de andra komponenterna. För att det nya mekaniska fästnings systemet ska vara bakåtkompatibelt med befintligt sortiment måste därför tre faktorer uppfyllas:
1. Hålbild: Nuvarande stativ har en hålbild på 49x49 mm där de skruvar som fäster det nuvarande mekaniska fästnings systemet monteras. Dessa mått kan inte ändras utan att stora förändringar i produktion och storskaliga utbyten på produkter som redan är ute på marknaden måste genomföras.
2. Höjd: Efter att monteringen av FOG, stativ, distanser, kretskort och lock genomförts är utrymmet mellan lock, FOG och kretskort, ca 1 - 2 mm på vardera sida. Därför är målet för det nya fästnings systemet 21 mm i höjd för att uppnå bakåtkompabilitet med tidigare produkter. De plastdistanser som monteras mellan stativet och fästnings systemet kan komprimeras vid åtdragning och då kan en teoretisk max höjd på 22 mm uppnås.
3. Diameter: De stativ som idag används har ett cylinderformat hålrum där FOG:en placeras. Detta hålrum har en diameter på 62 mm.Det behövs ett litet mellanrum mellan stativet och FOG:en för monterings syfte. Begränsningarna medför att maxdiametern för den nya designen blir 60 mm.
Företaget garanterar idag en felmarginal på maximalt 0.5 grader när FOG systemet levereras till kund. Om detta skall uppnås får det fiberoptiska gyroskopet inte rotera inuti det nya fästnings systemet eftersom sensorn då kommer leverera felaktig rotations data till kund. Under de inledande mötena framgick en önskan om att leverera fästningssystemet som en separat enhet och dessutom leverera en komplett installation av gyrossystemet där fästningssystemet saknade lock för att på så sätt kunna dra ner på produktionskostnader och tilläggsdelar för en produkt som inte skulle behöva dem. Eftersom det fiberoptiska gyroskopet enbart kan mäta rotation i den axel som gyroskopet är monterat i så kan det kräva upp till tre olika gyroskop för att en produkt ska få den korrekta orienterings data som är nödvändig för manövrering, se figur 1.
3
Figur 1: Illustration av stativ Figur 2: Saabs nuvarande gyroskop
Figur 3: Fiberoptiskt gyroskop
Visuell beskrivning av projektet: Hur ska den nya FOG enheten och provkort (figur 3) monteras i befintligt stativ (figur 1) på ett sätt som uppfyller de krav som ställs (se kravspecifikation, sid 22).
4
1.3 Syfte och frågeställningar
Den nya designen och utformningen på nästa generationens fiberoptiska gyroskop innebär att ett nytt fästningssystem måste utformas för att tillåta Saab att fortsätta kunna leverera FOG lösningar till sina kunder. Syftet för projektet blir därmed att utveckla och designa en mekanisk låsning som ger säker förankring av nya FOG systemet och kunna fästas vid de stativ som bygger upp de produkter som levereras till Saabs kunder. Den nya lösningen måste vara bakåtkompatibelt med de gamla modellerna av stativ. Lösningsförslaget som tas fram ska ta hänsyn till standardisering inom företaget, samt vilka tillverknings alternativ som kan vara aktuella ur en kostnadsaspekt. Saab har utryckt en önskan att undersöka möjligheterna att leverera installationer av gyron utan lock.
Därmed är examensarbetets frågeställningar:
1. Hur ska fästningssystemet designas för att det fiberoptiska gyroskopet inte ska rotera efter montering?
2. Hur ska fästningssystemet designas för att vara kompatibelt med befintligt stativ? 3. Hur kan fästningssystemet designas för att det fiberoptiska gyroskopet inte ska släppa
från fästningssystemet vid installation utan lock i ett komplett gyrosystem?
1.4 Avgränsningar
1. Electromagnetic interference (EMI) skydd är något som inte kommer behandlas i examensarbetet. Anledningen till detta är för att skalet som används för att skydda FOG systemet är EMI skyddat.
2. Hållfasthetsberäkningar har valts att avgränsas på grund av att ”new FOG” projektet kommer fortsätta efter att examensarbetet är fullbordat. Examensarbetet är bara en liten roll av det stora projektet som Saab bedriver för att kunna ta fram nya
generationens fiberoptiska gyroskop. Detta innebär att hållfasthetsberäkningar kommer ligga i fokus för Saab i ett senare moment inom projektet när tänkbara prototyper har valts ut för vidareutveckling.
1.5 Disposition
Rapporten är kronologiskt strukturerad för att underlätta förståelsen för
produktutvecklingsprocessen. Kapitel två behandlar den teori som legat till grund för projektet och som anses nödvändig för att ge läsaren förståelse för de metoder som används senare i rapporten. Kapitel tre beskriver de metoder som användes under projektets gång. Metoderna berör produktutvecklingsprocessen, projektplanering, konceptgenerering och konceptsållning. Kapitel fyra beskriver varje delmoment som utförts under projektets gång. Kapitel fem redogör studiens resultat i relation till de frågeställningar som låg till grund för projektet. Kapitel sex behandlar de slutsatser som kan dras av rapporten och rekommendationer för framtida arbete. Rapporten avslutas med en lista över de källor som använts och en lista med bilagor.
5
2 Teoretisk bakgrund
I detta kapitel beskrivs den teori som är behövs för att ge en teoretisk förståelse för de metoder som använts under projektets gång. Teorierna kopplas till de olika frågeställningarna för att visa på vilken grund de har valts ut.
2.1 Summering
För att ge en teoretisk förståelse för projektets genomförande och metodval beskrivs nedan hur produktutvecklings projekt och projektledning generellt genomförs. Utöver detta ges en generell beskrivning av Computer Aided Design (CAD). Avslutningsvis förklaras funktionen och teorin bakom ett gyroskop, de ISO-standarder som använts i arbetet, funktionen av en prototyp och 3D-printing.
2.2 Produktutveckling
Produktutveckling som koncept syftar till en generell beteckning för utvecklingen av olika typer av “produkter” med stor variation i karaktär beroende på förutsättningar som till exempel affärsområden, komplexitet, innovativ nivå eller primär drivkraft. [2]
Olika drivkrafter för att starta en produktutvecklingsprocess kan bero på ett antal olika faktorer. Primära faktorer kan vara teknikdriven utveckling (Technology puch) vilken baseras på att ny teknik öppnar upp för nya tillämpningar som tidigare varit okända för marknaden, exempel på detta är cd-läsare, mobiltelefoni, GPS-navigering och fiberglas armerad plast. Marknadsdriven utveckling (Market pull), som dikteras av marknadens krav och konkurrerande produkter, i vilken tidigare känd och beprövad teknik kombineras på nya sätt för att tillfredsställa kundbehov. Exempel på detta är när nya årsmodeller lanseras, dessa innehåller lättare modifieringar och anpassningar för att locka kunder. Samhällsdriven utveckling är när lagar och regler tvingar företag och produkter till att anpassa sig och skapa nytt, mest tydligt i miljö och säkerhetsaspekter. [4]
Produktutvecklingsprocessens gång och utveckling under ett projekt varierar ofta utifrån de förutsättningar som projektet fått. Uppbyggnaden av ett produktutvecklingsprojekt kan generellt beskrivas som följande: Inledningsvis genomförs en Problemanalys (förstudie) där information som kan vara relevant för projektet samlas in och analyser av marknaden görs. Efter detta konkretiseras vilka krav och mål som skall sättas på produkten. När detta arbete är uträttat går projektet in en konceptuell fas där olika lösningar på problemet, baserade på kravnedbrytningen, föreslås. Sedan sållas dessa ut efter vilka lösningar som bäst uppnår målen. Ofta får projektet gå tillbaka till denna fas ett antal gånger allteftersom mer information och kunskap framkommer under projektets gång. När konceptsållningen är färdig påbörjas arbetet med att realisera ett eller flera koncept, ofta genom att modellera upp dessa koncept med hjälp av CAD, om detta moment genomförts och om inga problem då framkommit går projektet framåt och påbörjar framtagningen av prototyper. Prototyperna utvärderas och kontrolleras mot de styrdokument som upprättas. Detta är en grov generalisering av begreppet produktutveckling och det finns flera olika filosofier om hur en effektiv produktutvecklingsprocess ser ut. Nedan listas ett par produktutvecklings strategier.
6
Figur 4: Generell produktutvecklingsprocess [3]
2.3 Projektledning
Projektledning eller projektstyrning blev vanligt i USA under kalla kriget då det ansågs att ledtiderna inom projekt var för långa. Därför upprättades projektstyrningsmodeller vid namnen PERT (Program Evaluation Review Technique) som senare byttes ut mot WBS (Work Breakdown System). Idag är det även vanligt för företag och projektgrupper att använda sig av ett Gantt schema. Det alla dessa metoder har gemensamt är att de fördelar projektets moment och på något sätt ger en visuell bild över hur lång tid det ska ta tills ett moment är avklarat. Den stora skillnaden på metoderna är hur strukturen är uppbyggd men i sin helhet så uppfyller de samma funktion, det kan dock förekomma tilläggsfunktioner inom metoderna för att effektivisera ett projekt.
2.4 Konceptgenerering
Syftar till den kreativa processen med vilken ofulländade förslag tas fram som potentiella lösningar till ett givet problem. Processen som helhet varierar stort utifrån de förutsättningar som består projektet och vilka metoder som valts att använda men generellt genereras en mängd förslag som sedan sållas.
2.5 Computer Aided Design - (CAD)
Computer Aided Design (CAD) syftar till användningen av mjukvara och gränssnitt för att underlätta generering, modifikation och optimering av en del eller en sammanställning av delar. Användandet av mjukvara för att underlätta designen av delar medför högre precision, enklare och mer exakta designiterationer, och mer omfattande dokumentation för del och produktledning, än integration med en traditionell BoM (Bill of materials). [4] Idag finns en mängd olika modellerings plattformar så som SolidWorks, NX, AutoDesk och CATIA. Programvaran som användes för modelleringen under examensarbetets gång var CATIA v5 [5] då det används som standard på företaget.
7
2.6 Gyroskop
Ett gyroskop är en konstruktion som använder sig utav rörelsemängdsmoment och strävar efter att justera ändringar i position och lutning. Ett gyroskop kan demonstrera en rad olika beteenden som kan var användbara i en mängd olika situationer eftersom axeln på gyrot alltid strävar efter att behålla sin orientering. Med hjälp av ett eller flera gyroskop kan till exempel flygplan, fartyg, rymdfärd och missiler stabilisera sig med den planerade banan de färdas i med hjälp av den orienterings data som gyrot ger. Gyrots egenskaper går att hitta i en mängd andra produkter som till exempel en jojo, frisbee men även inom sjukvården som i en magnetröntgenkamera som tar hjälp av gyrots egenskaper på en atomär nivå och använder sig utav spinnen på atomerna och precision för att frambringa bilder på inre organ. En fördjupning i skillnader mellan olika typer av gyroskop och vilka fysikaliska effekter som används i ett gyroskop går att finna i bilaga 1.
2.7 ISO-standard
International Standardization Organization (ISO) är en global organisation vars syfte är att ta fram internationella standarder för att underlätta samarbete, forskning och säkerhet. Standarderna rör områden så som tillverkning, kvalitetssäkring, IT säkerhet, mat hantering och medicinsk forskning. [6] SS-ISO är benämningen för Svensk Standard och är en del av ISO men med syftet att uppmuntra och implementera användningen av internationella standarder i svenska företag och verksamheter.
SS-ISO 965/2
SS-ISO 965/2 avser Metriska ISO-gängor, gängtoleranser samt gränsmått för toleranskvallitet. Standarden användes under examensarbetet under konstruktionsarbetet för standardisering av de gängor som användes. [7]
SS-ISO 674
SS-ISO 674 avser standardisering av ytjämnhetsbestämning. Under examensarbetet användes standarden som grund för ytjämnheten för konstruktionen. [8]
8
2.8 Prototyp
En prototyp är en fysiks modell av en potentiell produkt. Framtagningen av fysiska modeller är ofta en förutsättning för att nå fram till en färdig produkt eller konstruktion. Målet med att ta fram en prototyp är vanligtvis att få utökad förståelse för konstruktionen och undersöka hur koncept uppträder i verkligheten. Målet för examensarbetet var att ta fram en fungerande prototyp för att demonstrera ett potentiellt lösningsförslag till företaget. Under projektet tillverkades en prototyp med hjälp av 3D-printing.
2.9 3D-printing
3D-printing är en framställningsmetod för att ta fram tre dimensionella detaljer från digitala filer med hjälp av en 3D skrivare. Metoden är även känd som additativ tillverkning.
Vanligtvis producerar 3D-skrivare i plast men det finns skrivare som tillåter material som till exempel metall, betong och glasfiber. Det finns olika typer av additativ tillverkning. De två vanligaste är Fused Filament Fabrication (FFF) och Selective Laser Sintering (SLS). Med FFF skrivs detaljerna ut lager för lager med smält plast som matas ut från ett uppvärmt skrivarhuvud. Detta är den vanligaste typen av 3D-printing för hemmabruk och småskalig tillverkning. SLS bygger upp detaljerna av ett nylonpulver som sedan härdas med hjälp av en laser. Principen att bygga upp produkten lager för lager är den samma som FFF men lasern uppnår en högre precision jämfört med skrivarhuvudet i FFF. [9]
9
3 Metoder
Detta kapitel redogör för de metoder som använts under projektets gång.
Studietyp och val av metoder
3.1 Faktainsamling
3.1.1 Förstudie
Förstudien genomförs i starten av ett projekt och innefattar en insamling av information om relevanta faktorer såsom att analysera marknadsekonomiska, tekniska och tidsmässiga aspekter. Omfattningen av förstudien varierar utifrån projektets ändamål. Detta görs i syfte att skapa en preliminär bild av hur projektet ska struktureras upp och vilka möjligheter som finns för projektet. Inledningsvis i ett projekt genomför man en problemanalys då man förutsättningslöst arbetar igenom problemformuleringen och tar fram alla förutsättningar. Bakgrundsinformation i form av marknadsanalyser, patentsökningar, genomgång av tidigare produktgenerationer med mera tas fram. Förstudien ska utmynna i en första kravspecifikation, där man framförallt fastlägger de funktionella kraven, vad produkten ska uträtta. Specifikationen detaljeras och vidareutvecklas sedan under utveckling projektets gång, när man successivt tar fram en teknisk lösning och produktkoncept. [10]
3.1.2 Observation
En observation kan falla in i två typer, fullständigobservatör och deltagandeobservation. Fullständigobservatör går ut på att personalen sköter sitt jobb i vanlig ordning samtidigt som observationer sker på avstånd för att upptäcka potentiella avvikelser utan att störa
produktionsflödet. Detta kan ske i form av presentationer, möten och testmiljö.
I en deltagandeobservation så deltar utövaren av observationen i arbetet för att skapa en förståelse kring området och arbetssättet. Det kan även ske i form av intervjuer för att skapa en uppfattning och få ta del av ny information. [11]
3.1.2 Intervju
En intervju är metoden att införskaffa relevant information för examensarbetet genom en diskussion med - eller utfrågning av sakkunniga individer.
10
3.2 Planering
3.2.1 Stage-Gate modellen
Framtagen av Robert G. Cooper [12], för att effektivisera den inre och yttre produktutvecklingsprocessen i en organisation, fokuserar Stage gate modellen på att bryta ner ett projekt i delsteg (stages) och utvärderingar (Gates), (se figur 6). Modellen hanterar hela processen, från idé till produkt, och siktar på att lansera mer genomtänkta, bättre utvecklade produkter genom konstant återkoppling och tydlig indelning av arbetsmoment.
Enligt Cooper är fördelarna med denna process att ett företag eller organisation i ett tidigt stadium kan identifiera projekt som bedöms bli olönsamma, därigenom minimera resurserna som läggs på “dåliga” projekt och samtidigt öka kvalitén på slutprodukterna som tas fram ur ett väl genomfört projekt. Stort ansvar ligger på projektledarens roll för att garantera framgång genom den här modellen. Coopers modell förutsätter att varje delmoment har tydligt definierade och välförstådda mål som kan utvärderas och bedömas. Genom de utvärderingar som görs hålls projektet på en tydlig bana och ledtiderna kan därigenom förkortas.
11
3.2.1 Lean product development system (LPDS)
Från början känt som Toyota production systems (TPS) [14] och med fokus på att eliminera allt som kunde bedömas som i en produktionsprocess, utvecklades senare för att kunna appliceras på produktutvecklingsprojekt. Metoden uppkom i efterkrigstiden i Japan under en extrem ekonomisk lågkonjunktur som tvingade företag att anpassa sig till en snabbt krympande marknad. Toyotas modell för produktion anpassades senare till produktutveckling och resulterade i projekt vars mål var att med minimala resurser uppnå välutvecklade produkter. I ett tidigt stadie identifieras potentiella moment som kan leda till icke nödvändiga utgifter och o-produktiv tid. Dessa försöks i stor utsträckning elimineras ur processen i sådan mån att det inte påverkar kvalitén på slutprodukten. Fokus ligger även på att förstå kundens önskningar på produkten, integrera leverantörer in i utvecklingsprocessen och sätta upp mycket exakta tidsplaner. [15]
Figur 6: Lean produktutvecklingsmodell [10]
3.2.1 Gantt schema
Ett Gantt-schema [16] (gantt-diagram) är ett grafiskt projektplaneringsverktyg för att visa schemalagda och faktiska framsteg för ett projekt. Schemats utformning kan variera stort utifrån projektets mål men den grundläggande utformningen består av en lista över de moment som skall genomföras läggs upp på en vertikal axel, ofta i form av en liggande stapel för varje moment, och en horisontell tidsaxel som visar när olika moment skall starta och avslutas. Momenten kan vara kopplade till varandra och anger ofta vem som ansvarar för att momentet genomförs på ett korrekt sätt. Denna metod används vanligtvis i tidiga projektskeden och har god överskådlighet.
12
Figur 7: Exempel Gantt schema [17]
3.2.2 Pert
PERT metoden går ut på att skapa ett projektnät där de olika momenten som förekommer inom projektet är knutpunkterna och tidsplanen för när varje moment ska vara avklarat är tråden mellan varje moment. [18]
13
3.2.2 Detaljplan
Att upprätta en detaljplan är ett sätt att bryta ner större moment till ett antal delmoment som måste avklaras innan projektet går vidare i in planering. Detta underlättar arbetet genom att konkretisera övergripande moment till mindre delar som ger en tydligare bild över vad som måste göras. [20]
3.2.3 Kravspecifikation
Syftet med kravspecifikationen är att kartlägga problemet och dess natur. Resultatet från ett väl genomfört kravspecifikations arbete är en viktig grund för att man ska kunna specificera vad som ska bli resultatet av utvecklingsarbetet. [2]
Det dokument som skapas vid kravspecifikationen används sedan som styrdokument för att garantera att de koncept och prototyper som tas fram är relevanta till projektets övergripande mål. Det är vanligt att kravspecifikationen ändras under projektets gång då ny information som inte fanns tillgänglig tidigare har uppdagats. Under utvecklingsprocessen kontrolleras att framtagna koncept uppfyller de krav och mål som framkommit. Om ett koncept inte uppfyller kraven bearbetas och modifieras det tills önskvärt resultat framställts.
3.2.5 Funktionsträd
Ett funktionsträd eller funktionsanalys är en hierarkisk uppdelning av en produkts funktioner. Funktionerna rangordnas från huvudfunktion till delfunktion och underfunktion. Ibland kan stödfunktioner uppstå om en funktion uppfyller två olika behov eller om ett behov kräver två funktioner för att uppfyllas.
14
3.3 Konceptgenererings metoder
3.3.1 Dark Horse
Dark horse är en relativt okänd konceptgenerering metod som togs fram på Stanford University av Mark Cutkosky, Professor inom Maskinteknik [21]. Metoden fick sitt namn från hästkapplöpningen, traditionellt så används begreppet dark horse för en tävlingshäst som är relativt okänd för åskådarna och som oftast inte anses ha en stor chans att vinna. Om hästen istället presterar bra under loppet så är vinsten enorm för de som satsade pengar på den. Samma princip gäller produktutvecklings metoden dark horse, ett koncept som i första hand låter opraktiskt eller förkastligt kan generera förvånande resultat inom ett projekt.
Dark horse metoden använder sig utav tre kriterier som måste uppfyllas för att den ska vara komplett.
1. Visionen måste vara “dark” med detta så menas det att konceptet bör vara riskabelt, radikalt, omöjligt eller helt annorlunda från tidigare utforskade lösningar.
2. Metoden startas efter att en sammanhållen produktvision har bildats, delvis eftersom nästan alla koncept kan ses som “dark” så måste deltagarna av metoden redan ha en grundlig bild på hur prototypen ska vara uppbyggt. Metoden är alltså som mest effektiv för att implementera lösningar och funktioner hos en produkt.
Metoden skiljer sig på så sätt från många andra metoder då en uppfattning av prototypen som ska skapas måste finnas hos deltagarna av metoden.
3. Koncepten bör vara så uttänkta att de objektivt kan testas. Med detta så menas det att de funktioner ett koncept befinner ska kunna förklaras och visuellt visas upp för utomstående. Metoden kan anpassas utefter ett projekts ändamål men genererar alltid ett av tre resultat:
1. Dark Horse konceptet går hela vägen för att bli den slutgiltiga prototypen för projektet. 2. Ett annat koncept går vidare för att ta platsen som den slutgiltiga prototypen för projektet men har detaljer, funktioner eller komponenter som genererades med hjälp av Dark horse
Konceptet som togs fram med hjälp av metoden går inte vidare men de inblandade parterna går vidare med ett annat koncept och med ny information som de nu befinner.
15
3.3.2 Brainstorming
Brainstorming som metod genomförs av en eller flera personer där gruppen har i uppgift att generera en mängd potentiella koncept. Deltagarna skall helst besitta varierande kompetenser och erfarenheter. Problemet i fråga diskuteras och gruppen försöker i så stor utsträckning som möjligt få fram en mängd lösningar på det givna problemet. Detta tillvägagångssätt kan kompletteras med att gruppen inledningsvis får begränsad information om problemet i fråga och information ges bitvis ut allteftersom gruppen genererar idéer. Alla konceptuella idéer dokumenteras med korta beskrivningar och skisser. Det finns fyra grundläggande regler när en brainstorming ska genomföras [22]:
1. Kritik är inte tillåten 2. Kvantitet eftersträvas
3. Ovanliga idéer är eftertraktade 4. Kombinera idéer
3.3.3 Brainwriting
En variant av brainstorming som kombinerar en grupps idéer för att på så sätt ta fram ett flertal koncept av två eller fler redan existerande koncept. En brainwriting session genomförs genom att alla gruppens medlemmar sitter med varsin skiss under en förutbestämd tidsperiod, tiden kan variera beroende på målets storlek och svårighetsgrad men brukar generellt variera mellan 30 sec - 2 min. När tiden väl är slut skickas skisserna runt och en ny medlem fortsätter med den redan påbörjade skissen och applicera sina egna lösningar och tolkningar för att vidareutveckla konceptet. Detta gör att medlemmarna kan anpassa sig till varandras skisser och kan kombinera sina koncept med det redan påbörjade konceptet. [23]
3.3.4 Morfologisk matris
En morfologisk matris är en metod som används inom produktutveckling under konceptgenerering fasen. Den morfologiska matrisen hjälper till att generera koncept genom att kombinera olika lösningar på en idé med dess sekundära funktioner. Matrisen skapar ett nytt koncept för varje sekundär funktion en produkt har och är på så sätt väldigt effektiv och kan ge en stor kvantitet av idéer om den är genomförd på ett bra sätt. Exempel: om det finns 3 lösningsalternativ på delfunktion ett, fyra på delfunktion två och tre lösningar på delfunktion tre så kan teoretiskt 3x4x3 = 36 olika totallösningsaternativ tas fram. Målet är stort ett antal totallösningsaternativ som samtliga uppfyller alla krav i produktspecifikationen. [24] Den morfologiska matrisen kan även hjälpa till inom designfasen av ett projekt då matrisen är väldigt flexibel och lätt att anpassa utefter ett projekts ändamål. De kombinerade faktorerna (Lösning och funktion) kan enkelt bytas ut mot till exemplet Lösning och koncept på produkten.
16
17
3.4 Konceptsållnings metoder
3.4.1 Go/No-go
Go/No-go är en sållningsmetod som används inom produktutveckling under konceptsållnings fasen. Den går ut på att värdera hur bra ett koncept uppfyller de krav som ställs på en produkt. Efter ett antal koncept har genererats sållas de flesta koncepten bort då det är ovanligt för alla koncept att nå upp till de krav som ställs. Det är därför viktigt att veta vilka koncept som ska sparas och vilka som ska sållas bort, genom att se vilka krav som uppfylls av ett koncept så kan projektgruppen enkelt se vilka koncept som är bäst anpassade för projektets mål. Go/no-go är därför en väldigt effektiv grov sållnings metod som kan användas för ett projekt med ett högt antal koncept. Go/No-go kan även förekommer inom andra områden än produktutveckling, som exempel så används även metoden av psykologer för att avgöra hur bra en patient kan behålla fokus och inom militären när allvarliga beslut ska genomföras. När det slutgiltiga konceptet ska väljas fram är det vanligare att projekt använder sig utav Pughs matris som använder sig utav en mer avancerad sållnings metodik som även viktar de olika kraven utefter deras betydelse för projektet. [26]
3.4.2 Pughs matris
Pughs matris, även känd som pugh concept selection, är ett koncepteliminerings verktyg, som med hjälp av kravspecifikationen, har som mål att underlätta konceptsållnings processen genom att rangordna flerdimensionella alternativ. En grundläggande beslutsmatris består av att de olika konceptuella lösningar som tagits fram under projektets gång, listas tillsammans med de krav som ställs på den slutgiltiga lösningen och en referensprodukt. Kraven viktas och tilldelas en siffra beroende på vikten, vanligt är att om n antal krav är uppställda får det minst viktiga kravet siffran 1 och det viktigaste kravet siffran n. Med utgång från referens produkten bedöms varje koncept mot varje produkt. Om konceptet bedöms uppfylla kravet bättre än referensen tilldelas konceptet ett (+), lika bra (0) eller sämre än referensen (-). Därefter summeras dessa bedömningar och ett nettovärde tas fram för varje koncept. Utifrån det framtagna nettovärdet rangordnas koncepten och beslut fattas sedan om vilka koncept som skall vidareutvecklas. [27]
18
Figur 11: Exempel på Phugs matris [28]
3.4.3 Design For Assembly (DFA)
När diskussioner om monteringsanpassning förs refererar man ofta till DFA. Denna metod implementeras generellt för förbättring av relativt detaljerade konceptlösningar, men kan också användas för olika typer av montering. För varje komponent diskuteras ett antal frågor med målet att ta bort onödiga komponenter och simplifiera montering.
Frågor som vanligtvis diskuteras vid en DFA kan vara:
- Kan komponenten elimineras eller kan dess funktion integreras i en annan komponent? - Krävs en separat detalj med hänsyn till:
- Monteringstid?
- Möjlighet att montera andra komponenter?
Syftet med DFA är att förbättra en produkts kostnadseffektivitet och komplexitet i relation till dess sammanställning eller montering. Hur DFA genomförs som utvärderingsmetod varierar mellan branscher och verksamheter. [29]
19
3.4.4 Design For Manufacturing (DFM)
Design For Manufacturing, eller DFM som det även är känt, är en generell ingenjörsmetod inom designstadiet av en produkt där målet går ut på att underlätta produktionsmöjligheterna. När diskussioner om produktionsanpassning förs refererar man ofta till DFM och det är vanligt att produktionskostnader är en central del i diskussionerna.
DFM tillåter att potentiella problem som en produkt besitter kan korregieras redan i
designfasen vilket är den billigaste fasen en produkt genomgår. Under diskussioner av DFM förekommer även:
- Typ och form av material - Produktdimensioner
- Maskintoleranser och verktygs användning.
Syftet med DFM är att förbättra en produkts kostnadseffektivitet och komplexitet i relation till produktionen. Hur DFM genomförs som utvärderingsmetod varierar mellan branscher och verksamheter. [30]
20
4 Tillämpad lösningsmetodik och
genomförande
Detta kapitel redogör för projektets angreppssätt och genomförde. Projektet kan delas upp fem primära delmoment.
4.1 Projektstruktur
4.1.1 Övergripande projektstuktur
För att avgöra den övergripande projektstrukturen jämfördes två produktutvecklingsprojekts modeller vid namn Stage gate modellen och LPDS metoden. LPDS metoden riktar sig primärt mot större projekt och organisationer där vikten av att minimera moment som flaskhalsar och kostsamma tester/personal är av vikt. Mycket fokus ligger på att i ett tidigt stadie identifiera moment som längre fram i projektet kan orsaka problem. För att korrekt implementera LPDS krävs bred kunskap inom produktutvecklingsprocessen och erfarenhet av vilka moment som kan bli tidskrävande. [31] Stage gate modeller bygger på segmentering av projekt samt återkommande utvärdering efter varje segment. Den kontinuerliga återkoppling under projektets gång hjälper projektet att hålla en tydlig bana. [12] Då det aktuella projektet rörde ett mindre utvecklingsprojekt, den erfarenhet som krävs av ett projekts delmoment i LPDS och den återkommande utvärderingen i Stage gate valdes Stage gate modellen som grund för projektets upplägg. Metoden implanterades i projektet på så sätt att ”gates” sattes upp efter större moment då utvärdering av momentet och återkoppling genomfördes. Projektet delades inledningsvis in i introduktion, konceptframtagning, utvärdering, prototypframtagning och projektutvärdering.
4.1.2 Planeringsstruktur
Innan projektet startades jämfördes två projektledningsstrukturer som beskrivs i kapitel 2.3. PERT metodens projektnät, med olika knutpunkter för olika moment, bedömdes vara svårförenligt med den valda projektstrukturen då projektstrukturen fokuserade på ett linjärt arbetssätt. WBS och Gantt bedömdes således vara mer lämpade för projektet. Då Gantt är den mer profilerade av metoderna och kunde komplettera den valda projektstrukturen, Stage Gate modellen, valdes Gantt-schemat som grund för projektplaneringen.
4.2 Projektplanering
4.2.1 Förstudie
Under förstudien låg en insamling av information i fokus. Den befintliga lösningen till det fiberoptiska gyroskopet studerades i form av ritningar, tekniska specifikationer och diskussioner med inblandade parter för projektet. Tillverkning, montering och miljötester redovisades av företaget för att ge en helhetsbild över de moment som FOG-lösningen var
21
tvungen att genomgå innan lösningen ansågs vara redo att testas. Information gällande produktens konkurrens på marknaden söktes genom en marknadsanalys. Under förstudien framkom även de funktioner och de krav som skulle ställas på den färdiga prototypen.
4.2.2 Gantt schema
När en kunskap för de kritiska momenten var uppnådd så upprättades ett preliminärt Gantt- schema över projektet som helhet. I Gantt-schemat ställdes de moment som innefattas i projektet upp på en vertikal axel med projektets tidsplan mätt i veckor på den horisontella. I schemat markerades avklarade moment med lila och försenade moment med orange. I samband med Gantt schemat upprättades även en detaljplan som bröt ner de olika delmomenten av Gantt-schemat i mindre delar. Detaljplanen gav en visuell och överskådlig struktur över projektet och kunde redogöra om ett moment inom Gantt-schemat kunde markerats som avklarat, se bilaga 2.
4.2.3 Funktionsbeskrivning
För att förstå de funktioner som var nödvändiga för det mekaniska fästningssystemet så genomfördes en funktionsbeskrivning, se figur 12. Framtagandet av funktionsbeskrivningen skedde i samband med de inledande tekniska mötena och diskussionerna tillsammans med de inblandade parterna för projektet. Under de tekniska mötena tydliggjordes det att de primära funktionerna för konceptet skulle vara en robust design, kostnadseffektiv när den gick genom produktionen med avseende på standardverktyg, tiden det tog att ta fram en färdig prototyp samt begränsad miljöpåverkan med avseende på materialanvändning. Primärfunktionerna framkom genom de inledande tekniska diskussionerna och den information som samlats in under förstudien analyserades genom diskussion mellan projektmedlemmarna och handledare. Det var även nödvändigt för konceptet att ha en intuitiv monteringsprocess för att öka effektiviteten och minska kostnaden för den tid det tog för montering.
Figur 12: Funktionsträd
4.2.4 Kravspecifikation
När funktionerna för konceptet var tydliga så upprättades en kravspecifikation. Kravspecifikationen var mer teknisk inriktad än funktionsbeskrivningen och redovisade de krav som ställdes på prototypen. Kraven framkom genom diskussion med teknisk kunnig personal på företaget. Utöver framtagandet av kraven rangordnas även de nödvändiga och
22
önskvärda funktionerna och teknisk specifikation för vad prototypen var tvungen att uppfylla för att ett krav skulle anses som godkänt preciserades. Till exempel var kravet på temperaturtolerans att protototypen skulle klara av en operativtemperatur på -40°C till +70°C och en förvaringstemperatur på -50 °C till +85°C.
Figur 13: Funktioner och krav
4.3 Konceptframtagningsprocessen
4.3.1 Dark Horse
Under uppstarten av konceptgenereringsfasen så var Dark horse den första metoden att användas. Syftet var att ta fram så otänkbara och okonventionella koncept som möjligt då Dark horse går ut på att tänka så mycket utanför boxen som möjligt. Anledningen till att Dark horse var den första metoden att användas var eftersom innovativt nytänkande var en kritisk del av konceptgenereringsprocessen. Koncepten togs fram genom diskussioner och var inte skyldiga till att vara applicerbara eller realistiska. Istället kunde koncepten användas som riktlinjer för en önskad prototyp och konceptens funktioner kunde kombineras med andra koncept för att uppfylla krav som ett enskilt koncept inte kunde nå på egen hand. Fokus för diskussionen var: Hur ska fästningssystemet förslutas, kan den externa förslutningen även fungera internt, går formen på fästningssystemet att ändra samtidigt som dess effektivitet förblir densamma samt vilka material kommer att användas i koncepten? Resultatet av metoden och diskussionerna var ett antal abstrakta koncept om hur funktionerna och kraven kunde tillgodoses. Inget av koncepten var en konkret lösning och examensarbetet gick vidare till brainstorming för att konkretisera koncepten till mer realistiska lösningsförslag.
4.3.2 Brainstorming
Brainstorming var den andra metoden som användes i konceptframtagningsprocessen och anledningen var att Dark horse, som är en relativt liknande metod, tidigare gett ett antal kreativa om än orealistiska koncept. Brainstorming-metoden kunde därför fortsätta i samma spår och vidareutveckla koncept för att göra koncepten mer applicerbara. Eftersom form och material på fästningssystem stod i fokus för Dark Horse-metoden så resulterade det i att en mängd olika liknande lösningar uppstod. Således var det naturligt att tilldela dessa koncept en kategori efter
23
Figur 14: Tidigt utdrag från brainstorming
4.3.3 Brainwriting
Brainwriting användes under konceptframtagningsprocessen för att utöka antalet koncept. Metoden användes efter både Dark Horse och Brainstorming. Resonemanget kring upplägget av metoder var ett strategiskt försök att undvika oförmågan att kunna uttrycka sig i skiss och effektivisera den tid som lades ned på konceptgenereringen samt maximering av antalet koncept. Under Brainwriting-sessionen skissade gruppmedlemmarna på varsitt koncept och efter 2 minuter bytte de skiss för att på så vis kombinera koncept och inspireras av varandras skisser.
4.3.4 Morfologisk matris
Den morfologiska matrisen användes som den slutgiltiga metoden för
konceptgenereringsprocessen. Efter att Brainwriting, Brainstorming och Dark horse-metoden var genomförda fanns tillräckligt med koncept för att kunna dela in koncepten i diverse kategorier utefter deras funktion och design. Den morfologiska matrisen genererar koncept genom att kombinera ett koncepts primära lösning med dess sekundära funktioner. Mängden sekundära funktioner ett koncept har avgör mängden koncept som genereras. Den morfologiska matrisen är således väldigt effektiv för konceptgenerering ur ett kvantitativt perspektiv. Matrisen är flexibel och är lätt att anpassa utefter ett projekts inriktning. I detta fall så hade de olika koncepten delats in i kategorier beroende på deras låsningsteknik samt delningslinje. Indelningen i kategorier gjorde det naturligt för matrisen att kombinera faktorerna vilket resulterade i att 39 (trettionio) koncept genererades i konceptgenereringsprocessen i sin helhet.
24
Figur 15: Morfologisk matris
4.3.5 Generell beskrivning av konceptkategorier
Magnet
Magnet-kategorien tilldelades till koncept som hade en magnet implementerad inom konstruktionen som antingen skulle fungera som extern låsning för fästningssystemet eller internlösning för att fixera gyroskopet.
Gummi
Kategori gummi var avsedd för koncept som använde sig av gummi för extern låsning av fästningssystemet. Tanken med koncepten var att de skulle ha ett gummihölje runt
delningslinjen på fästningssystemet och kunna försluta fästningssystemet på samma sätt som en tätningsring sitter runt ett avloppsrör.
Sladd
I kategori sladd skulle sladden från kretskortet fungera som internlösning och stabilisera gyroskopet. Sladden från kretskortet skulle stramas åt vid dragavlastaren med hjälp av två skruvar som använts i den tidigare generationens fästningssystem. Om sladden var spänd på insidan av fästningssystemet så trycks gyroskopet mot framkanten av fästningssytemet med hjälp av kraften som uppstår i sladden.
Skåra
Kategori skåra, som var en väldigt bred kategori, tilldelades alla koncept som använde sig av skåror i konstruktionen. Dessa koncept var främst avsedda för att ge en extern låsning av fästningssystemet och saknade därför intern lösning för gyroskopet. Fästningssystemet i denna konceptkategori har antingen en delningslinje och skåra på sin horisontella eller vertikala axel. Låsning sker när dessa skåror trycks ihop.
25
Krok
Krokkategorin var en experimentell kategori där krokar skulle användas som låsning för fästningssystemet. Det undersöktes om krokarnas position skulle ha en påverkan på fästningssystemets stabilitet och om det vore applicerbart i verkligheten.
Snus
Kategori snus tog inspiration från snusdosans lockfäste. I kategorin undersöktes möjligheten för en tänkbar klicklösning för att fästa locket och underdelen av fästningssystemet i
varandra. Klicklösningen skulle effektivisera monteringsprocessen då det inte skulle behövas några skruvar i konstruktionen.
Top-lock
Top-lockkategorin var också inspirerad av en snusdosa. Inspiration hämtades från det lilla locket som kan förekomma på toppen av snusdosan och lösningar undersöktes för att på ett enkelt sätt kunna föra in gyroskopet i fästningssystemet från ovansidan.
Två-hål
Tvåhålskategorin var en vidareutveckling av Saabs tidigare fästningssystem. I denna
konceptkategori fanns två kilar som sträckte sig från locket ner till bottenplattan och använde sig av samma skruvhål som bottenplattan använde för att monteras i stativet. Detta gjorde konceptet väldigt robust då hela konstruktionen inklusive locket var monterad i stativet.
Skruvlock
Kategori skruvlock tog inspiration från locket på PET-flaskor. Tanken med denna kategori var att nederdelen av fästningssystemet skulle förses med gängor som locket skulle skruvas fast i. Detta skulle ge möjligheten att installera gyroskopet från ovansidan av
fästningssystemet.
Skruv-platta
Kategori skruvplatta tog också inspiration från PET-flaskor. I denna kategori så var
cylinderdelen som förvarade gyroskopet frånskilt från bottenplattan som monteras i stativet. Cylinderdelen skulle skruvas fast i bottenplattan med gängor och monteras från undersidan.
Friktion
Kategori gummifriktion var avsedd för koncept som använde sig av friktion för låsning av fästningssystemet. Koncepten var även applicerbara på den interna lösningen bestående av friktionsduk eller gummiringar som stabilisering.
26 Figur 16: Kategorisering av koncept
4.4 Konceptsållning
Konceptsållningen inleddes med att utvärdera den tidigare konceptgenereringfasen och vilka metoder som hade använts med syfte att avgöra om ett önskvärt antal koncept uppnåtts. Därefter utvärderades vilka konceptsållningsmetoder som ansågs vara lämpliga att applicera. 39 (trettionio) potentiella koncept skulle utvärderas och en metod för grov sållning ansågs nödvändigt.
4.4.1 Go/No-go
För att genomföra en den grova sållningen användes Go/No-go metoden för att eliminera ett flertal koncept. Koncepten sattes upp mot de mål som tagits fram för projektet och sedan analyserades varje koncept mot olika mål för att bedöma om konceptet uppfyllde målet. Om konceptet bedömdes uppfylla målet tilldelades konceptet en etta (1), om det inte bedömdes uppfylla målen tilldelades konceptet en nolla (0). Metoden modifierades för att tydligare reflektera vilka koncept som skulle vidareutvecklas. Efter analysen summerades konceptens resultat och ett medelvärde genererades. De koncepten med ett medelvärde över -eller lika med 0,7 bedömdes vara aktuella att ta vidare till nästa sållning. Se bilaga 3.
4.4.2 Phugs matris
De tekniska kraven som satts upp för produkten viktades i en skala mellan ett till nio där 1 = lågt prioriterad och 9 = högst prioriterad. Koncepten utvärderades och betygsattes, utifrån referensen (det existerande FOG systemet), med (+) om det bedömdes prestera bättre än referensen och (-) om den bedömdes prestera sämre än referensen. Om konceptet gavs ett (+) lades viktningen för det specifika målet till som ett positivt värde i summeringen och om det gavs ett (-) drogs värdet för målet av från summeringen. Ett nettovärde togs fram för varje koncept och utifrån resultatet av matrisen (se figur 17) rangordnades koncepten och en analys av koncepten med högst nettovärde genomfördes.
27
Figur 17: Phugs eliminerings matris
4.5 Modifiering och vidareutveckling
4.5.1 Teknisk feedback
Efter halvtidspresentationen genomfördes ett antal möten med tekniskt kunnig personal på företaget för att diskutera dels de koncept som tagits fram och dels potentiella lösningar på det interna fästningssystemet för det fiberoptiska gyroskopet. Företaget hade hittills i projektet valt att undanhålla information om tekniska lösningar och problem som uppkommit tidigare. Kommunikation med personal med tekniska kunskaper om tidigare projekt hade hittills avgränsats till endast det mest nödvändiga. Målet med tillvägagångssättet, från företagets sida, var att inte begränsa den kreativa aspekten och förhoppningen var att uppnå en stor variation på de lösningsförslag som togs fram. Efter halvtidspresentationen blev mer information tillgängligt för projektet och kommunikationen med personal utvidgades.
Intervju 1: Anders Näslund
Inledningsvis genomfördes en intervju med Anders Näslund, mekanikingenjör på Saab med erfarenhet av tidigare lösningsförslag på New FOG projektet, där problem och lösningar som företaget tidigare stött på visades upp. Näslund tillhandahöll även synpunkter och rekommendationer på de koncept som tagits fram. Det blev även tydligt att ett par av de koncept som tagits fram under projektets gång liknade de lösningsförslag företaget redan undersökt under tidigare försök att designa ett nytt fästningssystem. Under intervjun diskuterades den nödvändiga godstjockleken på locket och botten av konstruktionen. Näslunds uppfattning var att den minimala godstjockleken skulle vara 0,6 mm, ur ett hållfastighetsperspektiv, när produkten tillverkas i aluminium. Företaget tillhandahåller ett antal olika aluminiumlegeringar och Näslund gav exempel på det materialval han rekommenderade. I tidigare fästningssystem hade friktionsdukar använts för att motverka potentiell rotation av FOG-enheten. Det framkom även att kretskortet som används till FOG-systemet har en tolerans på ± 10%. Kretskortet har en höjd på 2 mm och för att ta hänsyn till toleransen antogs den potentiella höjden 2,2 mm i alla de koncept som tagits fram.
Intervju 2: Björn Holgerson, Daniel Månsson, Karl-Johan Krantz
Björn Holgerson, projektledare för New FOG-projektet, Daniel Månsson, produktledare, och Karl-Johan Krantz, systemingenjör, utryckte stort intresse för potentiella radiella lösningar på
28
fästningssystemet. De bekräftade även Näslunds åsikt om att friktionsdukar var ett föredraget sätt att motverka potentiell rotation av FOG-enheten men delade inte åsikten att 0,6 mm var minimal godstjocklek för en aluminiumkonstruktion utan utryckte att en godstjocklek på 0,5 mm var tillräckligt. Koncepten delades upp i två kategorier, de koncept där locket är en bärande del av konstruktionen och de koncept där locket endast har ett estetiskt syfte. En önskan som framfördes var att det nya lösningsförslaget skulle kunna levereras utan lock. De tyckte även att höjden på bottendelen och dragavlastaren, som används för att försäkra att den sladd som går från kretskortet inte lossnar vid potentiella ryck eller drag, skulle sänkas till en lägre position än vad som visades i ett antal av de framtagna koncepten. Det framkom dessutom att det fanns tre tomma ytor på kretskortet som kunde användas för att trycka fast kortet ovanifrån vid behov. De toleranser som behövde beaktas för FOG-enheten var ± 0,2 mm i höjdled och ± 0,3 mm på diametern.
Intervju 3: Axel Werner
I en intervju med Axel Werner, mekanikingenjör på Saab och handledare för projektet, framgick det att de friktionsdukar som använts för att motverka rotation för FOG-enheten krymper med 30% när duken utsätts för tryck. Duken som var tänkt att monteras under FOG -enheten med en tjocklek på 0.5 mm blir då 0.35 mm hög. Måttet 0.35 mm i höjdled togs sedan i åtanke i alla koncept där friktionsdukar användes. Enligt Werner var det även nödvändigt, för att vid ett senare stadie möjliggöra montering av tillhörande kretskort till FOG enheten, att lämna ett utrymme på 0.2 mm mellan kretskortet och FOG:en. Utrymmet innebar att totalhöjden på samtliga koncept ökades med 0.2 mm och var ett mått som inte gick att förändra. Werner föreslog även att en friktionsduk kan läggas ovanpå kretskortet och användas som medium för att hålla fast kretskortet om en friktionsfästnings-lösning skulle bli aktuell.
Tidigare designer
Projektet fick nu även tillgång till prototyper och material från tidigare lösningsförslag inom New FOG-projektet. Detta inkluderade tillgång till bland annat friktionsdukar,
29
4.5.2 Konceptuell omvärdering
Efter de tekniska mötena var genomförda stod det klart att mer fokus på den interna lösningen för fäste av FOG enheten behövdes. Projektet gick tillbaka för att revidera ett antal koncept och lösningar. Det blev tydligt att målhöjden på 21 mm var ett optimistiskt mål då komponenterna och deras toleranser tillsammans uppgick till 21.4 mm i höjd innan något lösningsförslag för fasthållning av FOG-enhet implementerats. Höjden 21.4 mm uppnåddes med en godstjocklek i lock och botten på 0.5 mm. Då 0.5 mm i godstjocklek hade utryckts som en acceptabel godstjocklek av en produktledare, en systemingenjör och projektledaren användes 0.5 mm som tjocklek för samtliga koncept som togs fram med syfte att hålla den totala konstruktionshöjden så låg som möjligt. Fokus blev att uppnå en radiell lösning eller en friktionslösning som inte påverkade konstruktionens totala höjd. Projektet gick tillbaka till konceptkategorier som tidigare sållats bort för att, med den nya tekniska informationen, utvärdera om delar av koncepten kunde implementeras i framtida koncept.
4.5.3 Konceptgenerering 2
Under den andra konceptgenereringen kombinerades koncept som gått vidare från den första sållningen med aspekter från tidigare konceptkategorier. Den konceptgenereringsmetod som användes var brainstorming. Aspekter av gamla konceptkategorier kombinerades med nya interna fästningslösningar. Exempel på en kombinationslösning är koncept 6 (se figur 23) där en radiell gummilösning användes för intern fästning av gyroskopen och en klickfästning, från konceptkategori ”snus”, användes för att förankra locket i bakkant. Koncept 1 (se figur 18) var även den en radiell gummilösning som kombinerades med gängor för montering av locket. Efter de första koncepten tagits fram diskuterades vilka förbättringar som kunde göras. Ett antal konceptiterationer togs fram där den principiella fästningen förblev
oförändrad men med mindre designförändringar som till exempel i koncept 2 och koncept 4 (se figur 19 respektive 21) där båda bygger på en skruvlösning men skruvarnas positionering är olika.
4.5.4 Modellering
De konceptuella lösningar som tagits fram genom konceptgenereringen modellerades upp i CAD. Genom att modellera upp koncepten gavs en bättre bild av hur koncepten skulle fungera och gav en insikt i eventuella problem som kunde uppstå. De mått som togs i beaktan under modelleringen var en godstjocklek på 0.5 mm för lock och botten på konstruktionen, ett utrymme på 0.7 mm som lämnades mellan botten och FOG-enheten för att tillåta montering av en friktionsduk med tjocklek 0.5 mm med ett krymp på 30% under tryck, ett mellanrum mellan kretskort och FOG enhet på 0.2 mm för att möjliggöra för fästningen av kretskortet, 0.2 mm extra utrymme som lämnades mellan kretskortet och locket på grund av FOG-enhetens höjdtolerans samt kretskortets höjd som antogs vara 2.2 mm istället för 2 mm för att ta hänsyn till kortets tolerans på ±10%. De vita ytorna i kanten på kretskortet (se figur 22) är de ytor som togs upp i intervjuer där tryck kan användas för att hålla fast kretskortet.
30
4.5.5 Koncept
Koncept 1:
Målet med konceptet var att hitta en lösning som är billig att producera och simpel att
montera. Lösningen byggde på att tillverka en cylinder i mjuk plast, representerat i rött i figur 18, som tillverkas ett par millimeter för tjock för utrymmet mellan det fiberoptiska
gyroskopet och hållaren. Montering av det fiberoptiska gyroskopet sker genom att placera gyroskopet i hållaren, som tillverkats med en mindre diameter i botten for att centrera
gyroskopet, och därefter pressas cylindern ner runt gyroskopet. Cylindern deformeras när den monteras då den är för stor för utrymmet, vilket sätter tryck mellan hållaren och gyroskopet och på så sätt håller gyrot på plats.
Fördelar:
+ Få monteringssteg.
+ Endast en komponent krävs för montering.
Nackdelar:
- Svår att demontera då ringen deformeras och inte kan tas ur efter montering.
- Ringen kan endast användas en gång.
- Möjligheterna för tillverkning av plastring som passar måste undersökas. - Materialval måste undersökas då olika plaster varierar i utvidgning och
friktionskoefficienten kan variera vid olika temperatur.
Figur 18: Koncept 1 Koncept 2:
Konceptet var ett försök att endast använda skruvar för att hålla ihop konstruktionen. Godstjockleken visade sig dock snabbt vara för tunt för att kunna fästa skruvar. M1,6
användes som referens för modellens gängning och djup på skruvhål. Principen för montering var att nedföra gyroskopet i hållaren och sen skruva på locket. Två friktionsdukar på 0,5 mm,
31
en i botten och en ovanpå kretskortet, används för att sätta tryck på -och förhindra rotation när locket har monterats.
Fördelar:
+ Simpel montering då endast skruvar och skruvmejsel krävs. + Använder endast komponenter som företaget redan har i lager. Nackdelar:
- Godstjockleken bedömdes vara för tunn för att fästa skruvarna.
Figur 19: Koncept 2 Koncept 3:
Konceptet har en delningslinje som sitter högst upp på fästningssystemet där två klossar finns placerade på dragavlastaren för att förhindra rotation av locket. På den motstående sidan av locket finns en kil placerad med syfte att trycka fram gyroskopet i framkant på
fästningssystemet. Kilen fungerar även som en klickfunktion för att fästa locket på plats i bakkant efter locket är monterat. Förhoppningen med konceptet var att minimera antalet komponenter i konstruktionen för att minimera kostnader i monteringstid samt möjliggöra demontering på effektivt sätt ifall problem med gyroskopet skulle uppstå.
Fördelar:
+ Montering kräver endast att komponenterna trycks ihop och två skruvar fästs. + Endast lock, botten och två skruvar krävs för montering.
+ Enkel att demontera.
Nackdelar:
- Dyr att producera relativt till andra koncept då mycket material skulle gå åt vid tillverkning.
- Specialverktyg behöver användas vid produktion. - Möjlighet att skada gyroskop vid montering. - Kan ej levereras utan lock.
32
Figur 20: Koncept 3 Koncept 4:
Samma typ av lösning som koncept 2 med en annan design. Även i detta fall var godstjockleken var för tunn för att garantera att skruvarna skulle få bra fäste och kunna motstå chockkravet. Dessutom tillkom en risk att skada gyroskopet skulle skruvarna dras för djupt.
Fördelar:
+ Endast skruv och skruvmejsel krävs för montering. + Lätt att tillverka.
+ Använder endast komponenter som företaget redan har i lager. Nackdelar:
- Kan skada FOG när skruvarna monteras.
- Väldigt tunt material för gängning av skruvar.
Figur 21: Koncept 4
Koncept 5
Konceptet försökte nyttja de friktionsdukar som användes för att motverka rotation till att även hålla gyroskopet. Tre friktionsdukar skulle monteras i en cirkel och sedan skulle gyroskopet föras ner i mitten.
33 Fördelar:
+ Låg kostnad då friktionsdukar är relativt billiga. + Lätt att tillverka.
Nackdelar:
- Svår att montera då friktionsdukarna måste monteras samtidigt som FOG-enheten.
- Sämre förmåga att motstå chockkrav.
Figur 22: Koncept 5 Koncept 6
Konceptet bygger på att friktionslåsta gyroskopet genom att två utskärningar skapas i hållaren där två o-ringar monteras. O-ringarna deformeras och sträcks ut när gyrot monteras.
Deformationen resulterar i att o-ringarna pressas ut i de skåror där de monterats och
därigenom förhindrar både rotation och rörelse vid chock och vibration. Locket designades med en så kallad ”klickfunktion” som hjälper att hålla locket på plats utöver de skruvar som används för att montera locket.
Fördelar:
+ Enkel montering av gyroskop.
+ Kan levereras utan lock då en radiell fästning används. Nackdelar:
- Dragavlastaren är integrerad i bottendelen för att tillåta installation utan lock. Integrationen av dragavlastaren medför högre tillverkningskostnader.
- Materialval måste undersökas då olika plaster varierar i utvidgning och friktionskoefficienten kan variera vid olika temperaturer.
