Examensarbete i Maskinteknik
Säker och tidseffektiv
förflyttning av betongelement
– Safe and time-efficient transport of prefabricated
concrete elements
Författare: Erik Ström, Isac Andersson Handledare LNU: Jetro Pocorni
Handledare företag: Oskar Sundh, AFRY, Paul Karlsson, Abetong
Examinator LNU: Izudin Dugic
Datum: 2020-05-28 Kurskod: 2MT16E, 15hp Ämne: Maskinteknik
Sammanfattning
Betongelement är ett byggelement som har använts i flera tusen år. Byggelementet används till exempel för att konstruera vägar och bostäder. Prefabricerade betong-element är betong-element som tillverkas i en fabrik för att sedan transporteras till kund. Vanligtvis är prefabricerade betongelement utformade efter kundens önskemål. Vid prefabricering av betongelement minskar slöseri av resurser då tillverknings- processen industrialiseras. Detta ger dels möjlighet till standardiserade arbets- moment, dels möjlighet till stordriftsfördelar i produktion då flera ordrar kan samproduceras.
Generellt sett är hanteringen av prefabricerade betongelement en ständig utmaning inom betongindustrin. Dess storlek och vikt skapar dels problem vid hantering och transportering, dels problem vid lagerhållning. Generella moment vid tillverkning av betongelement efter gjutning är att de ska lossas från sina gjutformar, för att sedan transporteras till temporär lagring.
Problemet som ligger till grund för detta arbete var tidskrävande och osäker hantering av betongelement. Detta ledde till att den befintliga lösningen kom att ifrågasättas, vilket formade grunden till projektet som omfattar produktutveckling. Genom en produktutvecklingsprocess skapas lösningar i form av koncept. Dessa baseras på krav från fallföretaget, observationer och produktionsstatistik som samlats in. Denna data består av information om dagens arbetssätt och lokalens begränsningar i form av dimensioner.
Med hjälp av verktyg i form av process-FMEA, kvalitetshus och utvärderingar utvecklades ett koncept som höll sig inom ramarna för de ställda kraven. I dialog med fallföretaget utvecklades ytterligare ett koncept och de koncept som ansågs mest relevanta utvecklades vidare. På koncepten beräknades sedermera hållfastheten med hjälp av digitala verktyg i form av FEM-analyser.
Då FEM-analyserna resulterade i von Mises spänningar med säkerhetsfaktor mellan 1,25-4 var resultatet positivt. De två koncept som med andra ord också framgår i diskussionen och slutsatserna är båda en modifierad lösning av dagens lastanordning. Det första konceptet är en rälsgående A-bock och det andra konceptet är en A-bock som framförs med hjälp av en dragtruck.
Summary
Concrete walls are a construction element that has been used for thousands of years. The building element is used for example, to construct roads and housing. This makes the material an important building block in the infrastructure and property sector. Prefabricated concrete elements are elements that are manufactured in a factory and then transported to the customer. Usually, prefabricated concrete elements are designed according to the customer's preferences. When concrete elements are prefabricated, waste of resources decreases as the manufacturing process is industrialized. This gives the possibility of standardized work steps and the possibility of economies of scale in production as several orders can be co-produced. In general, the management of prefabricated concrete elements is a constant challenge in the concrete industry. The size and weight of prefabricated concrete elements create problems with handling, transportation and storage. General steps in the manufacture of concrete elements after casting are that they must: be released from their molds, and then transported to temporary storage.
The handling of the concrete elements is time-consuming and unsure. This led to the existing solution being called into question, which formed the basis of the project that includes a product development process.
Through a product development process, solutions are created in the form of concepts. These are based on requirements from the business case, observations and production statistics collected. This data consists of information about the current working methods and the limitations of the premises in the form of dimensions. With the help of tools as process-FMEA, the House of Quality and evaluation methods, a concept were developed that stayed within the limits of the requirements set. In dialog with the company, an addiational concept were developed and the concepts that were considered most relevant were further evolved. The strengths were afterwards calculated using digital tools in the form of FEM analysis.
When the finite element analysis resulted in von Mises stresses with a safety factor between 1.25-4, the result was positive. The presented concepts are modified solution of the current loading device. The first concept is a rail-mounted A-frame and the second concept is an A-frame which is conveyed by means of a tug truck.
Abstract
Vid konstruktion med betong har prefabricerade betongelement blivit allt mer frekvent förekommande. I samband med detta blir moment som förflyttning av betongelement ett problem under tillverkning, på grund av dess storlek och vikt. Syftet med arbetet är att undersöka transporter av betongelement på en industri. Elementen ska framföras säkert och tidseffektivt.
Målet är att minimera risken för arbetsrelaterade skador genom att konstruera en ny lastanordning. Konstruktionen ska även främja en mer tidseffektiv hantering än dagens situation. Studien är kvalitativ då forskningen är baserad vid ett fallstudieobjekt. Däremot är både datainsamlingen kvalitativ och kvantitativ.
Forskningen resulterade i dels ett koncept med en rälsgående A-bock, dels ett koncept med en A-bock anpassad för transport med dragtruck. Vid simulering av koncepten var resultatet positivt då båda koncepten uppnådde en säkerhetsfaktor av 1,25-4 i relation till materialets sträckgräns.
Nyckelord: Produktutveckling, Produktutvecklingsprocessen, Konceptgenerering,
Konceptval, Betongelement, Betongväggar, Betongindustri, Betongtillverkning, Tunga element, Transport, A-bock, FMEA, KMO-prefabricering, FEM-analys, Finita elementmetoden.
Förord
Denna rapport är resultatet av ett examensarbete i Maskinteknik, med inriktning produktutveckling, för en högskoleingenjörsexamen vid Linnéuniversitetet i Växjö. Arbetet utfördes under våren 2020. De introducerande delarna av arbetet: inledningen och metodkapitlet, skrevs i kursen ”Vetenskapsmetodik och opponering” 7,5hp och de resterande delarna av arbetet skrevs i kursen “Examensarbete, Maskinteknik” 15 hp. Kontakt skapades via en av skribenternas tidigare kontaktnätverk, sektionschefen för industriavdelningen på AFRY i Växjö. Vid diskussion om att skriva ett examensarbete, bokades ett möte och en dialog fördes tills ett uppdrag från en kund fanns tillgängligt. Arbetet har sedermera utförts på AFRY:s kontor i Växjö, (ÅF Pöyry AB) med besök på Abetongs H-fabrik i Vislanda. Samtliga delar av arbetet har utförts gemensamt av de båda skribenterna.
Under arbetets gång har samarbete och interaktion med ett flertal parter gjorts och dessa vill vi rikta ett tack till:
Vår företagshandledare på AFRY i Växjö, Oskar Sundh, civilingenjör i maskinteknik, för vägledande och rådgivning.
Uppdragsgivare på AFRY i Växjö, Fredrik Westin, sektionschef för Mekanik, El och Automation.
Kontaktperson på fallföretaget Abetong AB, Paul Karlsson, fabrikschef vid divisionen för Lantbruk, H-fabriken i Vislanda.
Vår handledare på Linnéuniversitetet i Växjö, Jetro Pocorni, universitetslektor på institutionen för maskinteknik. Han har bidragit med kreativt tänkande och konstruktiv kritik kring skrivande och utformning av rapport.
Examinator av examensarbetet på Linnéunversitetet, Izudin Dugic, docent vid institutionen för maskinteknik, för hans opponering under arbetsprocessens gång. Examinator av forskningsplanen på Linnéunversitetet, Mirka Kans, docent vid institutionen för maskinteknik, för hennes opponering av arbetets inledande kapitel. Vi hoppas att arbetet kan ge Abetong inspiration till en lösning på problemet samt att det kan ge upphov till vidare forskning.
Erik Ström & Isac Andersson Växjö, 28 maj 2020
Innehållsförteckning 1. Introduktion 1 1.1 Bakgrund 1 1.2 Problembeskrivning 2 1.3 Syfte 3 1.4 Mål 3 1.5 Frågeställningar 3 1.6 Avgränsningar 3 2. Metod 4 2.1 Forskningsdesign 4 2.1.1 Modellutveckling 4 2.1.2 Modelltest 4 2.1.3 Lösningsförslag 5 2.2 Datainsamling 5 2.2.1 Kvalitativ metod 5 2.2.2 Kvantitativ metod 5 2.2.3 Fallstudie 5 2.2.4 Observation 5 2.2.5 Primära källor 6 2.2.6 Sekundära källor 6 2.2.7 Val av datainsamlingsmetod 6 2.3 Forskningskvalitet 6 2.3.1 Etik 6
2.3.2 Validitet och reliabilitet 7
2.3.3 Källkritik 7 2.3.4 Tillämpning av forskningskvalitet 7 3. Teori 8 3.1 Produktutvecklingsprocessen 8 3.1.1 Problemdefinition 9 3.1.2 Produktspecifikation 10 3.1.3 Konceptgenerering 12 3.1.4 Konceptval 13 3.1.5 Produktarkitektur 15
3.1.6 Mekanik och hållfasthet 17
3.1.7 Prototyp 20
3.2 FMEA (riskanalys) 20
3.2.1 Lagar kring arbetsmiljö och säkerhet 22
3.3.1 I produktion 23 3.3.2 I produktutvecklingsprocessen 24 4. Genomförande 25 4.1 Bakgrund av företaget 25 4.2 Förstudie 25 4.2.1 COVID-19 25 4.3 Nulägesanalys av produktionen 25
4.3.1 Nulägesanalys genom produktionsstatistik 25
4.3.2 Nulägesanalys genom observationer och mätningar 26
4.3.3 Värdeflödesanalys 28
4.3.4 Process-FMEA på dagens arbetssätt 29
4.3.5 FEM-analys av befintlig A-bock 30
4.4 Produktutvecklingsprocessen 34 4.4.1 Problemdefinition 34 4.4.2 Produktspecifikation 34 4.4.3 Konceptgenerering 37 4.4.4 Konceptval 41 4.4.5 Vidareutveckling av koncept 1 44 4.5 Vidareutveckling av delkoncept 1A 49 4.5.1 Simulering av delkoncept 1A 50
4.6 Produktutveckling av “nytt” koncept 52
4.6.1 Presentering av det nya konceptet 52
4.6.2 Simulering av koncept 5 53
5. Resultat 56
5.1 Resultat från produktutvecklingsprocessen 56
5.2 Resultat från koncept 5 56
6. Analys 58
6.1 Analys av delkoncept med avseende på resultat 58
6.1.1 Analys av delkoncept 1A med avseende på resultat 58
6.1.2 Analys av koncept 5 med avseende på resultat 58
6.2 Jämförande mellan delkoncept 1A och koncept 5 59
6.3 Slutgiltig analys av delkoncept 1A och koncept 5 59
7. Diskussion 60
7.1 Metoddiskussion 60
7.1.1 Framtagning av delkoncepten 60
7.1.2 Reliabilitet kring datorsimulering 60
7.1.3 Svårighet vid få begränsningar 60
7.2.1 Resultatdiskussion av konceptförslagen 60
7.2.2 Resultatdiskussion ur tids- och säkerhetsperspektiv 61
8. Slutsatser och framtida forskning 62
8.1 Slutsatser 62
8.2 Rekommendationer för vidare forskning 62
Referenslista 64
Nomenklatur
Beteckning Beskrivning Enhet: SI (a pplicerad)
C Rullmotstånd
E Elasticitetsmodul (Young's Modulus) MPa
F Kraft ( Force ) N
F c Kraft, rullmotstånd N
F x Kraft i x-led N
F y Kraft i y-led N
g Tyngdaccelerationen m/s 2
G Skjuvmodul (Shear modulus) Pa (MPa)
m Massa kg ( ton )
M Moment Nm
N Normalkraft N
r Radie m
R Resultat, totalbetyg absolut utvärdering
R 1 & R 2 Reaktionskrafter N
R e Resultat ekonomiska kriterier R t Resultat tekniska kriterier
SF Säkerhetsfaktor
S u Brottgräns (Tensile strength/ultimate strength) MPa S y Sträckgräns ( Yield strength ) MPa
Grekiska bokstäver δ Deflektion ( Deflection) m ( mm ) ε Töjning Θ Vinkel grader (°) ν Poissons tal ρ Densitet (Density) kg/m 3 (g/cm 3 )
σ Spänning ( Stress) MPa
Σ Summa
1. Introduktion
I introduktionen introduceras läsaren till bakgrunden av studien samt dess problembeskrivning. Dessutom presenteras syftet, målet. frågeställningarna och avgränsningarna.
1.1 Bakgrund
Betongelementet är ett byggelement som har använts i flera tusen år. Byggelementet används till exempel för att konstruera vägar och bostäder. Flera av betongens främsta egenskaper är dess livslängd, värmetröghet, möjlighet till återvinning och motstånd mot brand (Betongindustri, 2020). Ett vanligt blandningsförhållande är en del vatten, en del cement, två delar sand och tre delar sten. Cement är ett bindemedel som består av finmald kalksten, vilket verkar som ett lim. Liksom många andra material kan sand och sten kategoriseras inom ballast (Leijon, 2014).
Ballast kan exempelvis bestå av natursten, krossat stenmaterial, sand eller lättklinker. Genom gjutning i form kan betong antaga varierande former och vid stelnat tillstånd kallas det för att betongen har hydratiserat (härdat). Vid tillverkning av betong används även så kallad efterspänd armering. Det innebär att materialet utsätts för ett initialt tryck och att dess styvhet ökar. Detta är således positivt ur ett dragbelastningsperspektiv. Med dess ökade resistens mot dragbelastningar utökas även dess användningsområde (Kungliga Tekniska Högskolan, 2020).
Prefabricerade betongelement är element som tillverkas i en fabrik för att sedan transporteras till kund (Svensk Betong). Vanligtvis är prefabricerade betongelement utformade efter kundens önskemål. Detta benämns ofta som konstruera-mot-order (KMO) och som på engelska skrivs engineer-to-order (EOT) (Silf).
Vid prefabricering av betongelement minskar slöseri av resurser då tillverkningsprocessen industrialiseras. Detta ger dels möjlighet till standardiserade arbetsmoment, dels möjlighet till stordriftsfördelar i produktion då flera ordrar kan samproduceras. Dessa faktorer sänker kostnaden för betongelementen och skapar nya möjligheter. Att eliminera produktion på byggarbetsplatsen gör att uppbyggnad kan ske med färre begränsningar av årstid och väder. Dessutom blir arbetsmiljön bättre och antalet tillbud minskar (Svensk Betong).
Generellt sett är hanteringen av prefabricerade betongelement en ständig utmaning inom betongindustrin. Dess storlek och vikt skapar dels problem vid hantering, dels problem vid lagerhållning (Li, Shen & Xue, 2014).
Generella moment vid tillverkning av betongelement efter gjutning är att de ska lossas från sina gjutformar, för att sedan transporteras till temporär lagring. Vidare ska de flyttas från den temporära lagringen till det fordon som skall transportera betongelementen till kunden. Varje förflyttning och hantering utgör en risk. Riskerna främst vid hantering beror på dess storlek och vikt, men även på antalet stöd- och fästpunkter vid transportering samt förvaring (Worksafe New Zealand).
Vid den temporära lagringen används ställ designade för betongelementens vikt, storlek och form. En vanligt förekommande konstruktion, är ett ställ kallat A-bock (Worksafe New Zealand).
Då betong är ett material som används inom flera sektorer finns det en stor andel producenter som hade gynnats av denna studie. Studien syftar främst till att åstadkomma en säker arbetsmiljö med minimalt antal risker inom betongindustrin. Detta kan kopplas till de globala mål som finns utfärdade av Förenta nationerna. Dessa ska vara uppfyllda senast år 2030 (Quezada et al., 2017).
1.2 Problembeskrivning
I relation till betongindustrin är i synnerhet mål 8.8 relevant. Målet främjar framförallt en trygg och säker arbetsmiljö. Eftersom detta arbete kommer att fokusera på hur betongelement ska transporteras effektivt inom tillverk- ningsindustri, kan det dessutom handla om att uppnå ekonomisk hållbarhet på företagsnivå. Ekonomisk och motståndskraftig produktion kan till exempel kopplas till mål 9.4, vilket beskriver hållbarhet inom industri (Globala målen). För att uppfylla målen är det fundamentalt att accelerera utveckling av nya tekniker och metoder (Berawi, 2019).
Detta projekt ska analysera hantering av betongelement i en tillverkande industri, utifrån ett ekonomiskt- samt ett säkerhetsperspektiv. Fokus ligger på transport mellan produktionslokal inomhus och traversgård utomhus vid Abetongs H-fabrik i Vislanda. Abetong har idag manuell hantering med traverser, A-bockar, samt en traktor med tillhörande lyftanordning.
Denna process medför bland annat stora riskmoment där det istället skulle behövas en mer specialanpassad utrustning, vilket är en del av säkerhets- perspektivet. Från ett ekonomiskt perspektiv på företagsnivå är det viktigt att korta ner transportkostnaderna på fabriken för att åstadkomma mindre icke-värdeskapande tid. I nuläget transporteras betongelementen med hjälp av traktor. Den här processen i produktionen utgör en flaskhals och måste elimineras. Lösningen på problemet kan eventuellt lösas genom att A-bocken ersätts, och en helt eller partiellt automatiserad lösning tillämpas. Denna lösning kan vara nyutvecklad eller en modifierad konstruktion av nuvarande lösning.
1.3 Syfte
Syftet med arbetet är att undersöka transporter av betongelement på en industri. Elementen ska framföras säkert och tidseffektivt.
1.4 Mål
Målet är att minimera risken för arbetsrelaterade skador genom att konstruera en ny lastanordning. Konstruktionen ska även främja en mer tidseffektiv hantering än dagens situation.
1.5 Frågeställningar
För att besvara syftet kan frågeställningarna uttryckas i termer om:
● Hur konstrueras en lastanordning för betongelement som är säker, tidseffektiv och användarvänlig? Vad krävs i form av riskanalys, säkerhet och krav?
● Hur placeras lastanordningen i relation till traverserna för att göra hanteringen säker och tidseffektiv?
1.6 Avgränsningar
Rapporten kommer att avgränsas enligt följande:
● Arbetet avgränsas i skapande av totalt sju koncept, varav två koncept simuleras i Autodesk Inventor Professional 2018.
● Beslut och tillvägagångssätt vid produktutveckling kommer att ha ekonomi i åtanke, men inte innefatta beräkningar.
● Projektet resulterar i en teoretisk lösning och testas därav inte praktiskt. ● Arbetet görs inom en tidsram på fem månader (se bilaga 1), samt med en
arbetstakt på 50 procent.
● Arbetet utförs med hjälp av kunskap från föregående kurser i Linnéunive- rsitetets program Maskinteknik, med inriktning på produktutveckling .
2. Metod
Metodkapitlet beskriver vilka metoder som ligger till grund för arbetet. Metoderna spelar naturlig betydelse i hur syftet ska uppnås.
2.1 Forskningsdesign
Forskningsdesignen beskriver den strukturella strategin anpassad för arbetet. Denna struktur beskrivs i figur 2.1.
Figur 2.1: Illustration av forskningsdesign.
2.1.1 Modellutveckling
Det givna problemet att lösa är en säker och tidseffektiv förflyttning av betongelement. Forskningen börjar med en litteraturstudie för att finna relevanta faktorer och metoder. Med hjälp av litteraturen utvecklas en lämplig teoretisk modell för utförande av studien. Produktutvecklings- processen baseras främst på teori från böckerna:
● Produktutveckling: Konstruktion och design (2014).
● Grundläggande CAD produktutveckling: Konstruera med Autodesk Inventor Professional 2013 (2013).
● Getting design right: A systems approach (2009). 2.1.2 Modelltest
Detta modelltest bygger på att modellerna testas vid fallstudieobjektet, Abetong. Modelltestet baseras på observationer och produktionsstatistik som samlats in från företaget. Denna data består av information om dagens
arbetssätt och lokalens begränsningar i form av dimensioner. Forskningen kommer att bedrivas kvalitativt då studien fokuserar på fallstudieobjektet, Abetong.
2.1.3 Lösningsförslag
Den data som samlas in analyseras och står till grund för produktut- vecklingen. Dessutom ritas även produktionslokalen upp för att illustrera dagens arbetssätt. Slutligen konstrueras ett antal olika koncept, och simu- leras för att möjliggöra förbättringar av de färdigställda koncepten.
2.2 Datainsamling 2.2.1 Kvalitativ metod
En kvalitativ metod karaktäriseras exempelvis av upplevelser och observationer genom intervjuer. Materialet från intervjun analyseras med fördel löpande i syfte att inte missa några detaljer. Det som skiljer den kvalitativa metoden från den kvantitativa metoden, är således att den kvalitativa metoden inte behandlar siffror och tal (Patel & Davidson, 2019). 2.2.2 Kvantitativ metod
Kvantitativ metod är direkt kopplat till mätningar och statistik. Ett sätt att uttrycka kvantitativ metod är att använda sig av så kallad deskriptiv statistik. Denna statistik är ett sätt att visa forskningsproblemet genom siffor (Patel & Davidson, 2019).
2.2.3 Fallstudie
En fallstudie riktas exempelvis in på en mindre avgränsad grupp vid en organisation. Vid denna studie analyseras en situation alternativt flera individer. Det viktiga vid fallstudier är att få en heltäckande bild av det som analyseras. Fallstudier är vanligt förekommande vid studier om förändringar och processer (Patel & Davidson, 2019).
2.2.4 Observation
Vetenskapliga observationer är information som samlas in planerat och systematiskt noteras. Det kan innefatta känslor, verbala uttryck och fysiska handlingar etcetera. En observation kan dessutom tillhandahålla kompl- etterande information när andra sorters tekniker har använts för att samla in data (Patel & Davidson, 2019).
2.2.5 Primära källor
Primära källor är information som ligger nära undersökningens syfte. Det är empiriskt material främst i skriftlig eller muntlig form. Denna information kan vara från intervjuer, experter eller egna observationer för att nämna några exempel (Blomkvist & Hallin, 2014).
2.2.6 Sekundära källor
Sekundära källor kan vara tidigare studier inom området. I andra termer kan det vara tidigare forskning på samma företag eller inom samma bransch. De sekundära källorna är inte lika strängt kopplade till syftet som de primära källorna (Blomkvist & Hallin, 2014).
2.2.7 Val av datainsamlingsmetod
I denna studie kommer datainsamlingen bestå av kvalitativ och kvantitativa data vid fallstudieobjektet, Abetong. Empirin kommer att bestå av primära källor, vilka presenteras i kapitel 4.2. Denna information är baserad på observationer i produktionen. Dessutom kommer arbetet att inkludera information från sekundära källor i form av referentgranskade artiklar, i kapitel 1 och 3.
Den kvantitativa metoden är en viktig del för att samla in material angående avstånd och ytor i produktionslokalen. Liksom den kvalitativa metoden är den kvantitativa metoden ett viktigt arbetssätt för att samla in nödvändig information.
Den kvalitativa arbetsprocessen är viktig då personen vid bearbet- ningstationen ska observeras. Observationen vid arbete är fundamental i syfte att förstå processerna i produktionen samt få tankar om lösningar på problemet. Detta är viktig information som ligger till grund för hur lastanordningen ska utformas.
2.3 Forskningskvalitet
2.3.1 Etik
Etik i denna studie kommer att behandlas enligt de krav som Vetenskapsrådet har framställt. Det första och andra kravet beskriver att involverade personer i studien kommer att informeras om studiens syfte samt att dessa har godkänt att delta. Det tredje kravet behandlar kon- fidentialitet, vilket betyder att studerade personer och information om företaget ska framgå på så vis att identifiering inte är möjlig vid behov. Det fjärde och sista kravet diskuterar nyttjandekravet, vilket beskriver att insamlad information, endast får användas till studiens syfte (Blomkvist & Hallin, 2014).
2.3.2 Validitet och reliabilitet
Om validiteten är god betyder det att undersökningen, undersöker vad som är avsett med forskningen. God validitet är viktigt, precis som god reliabilitet. Reliabilitet beskriver att undersökningen genomförs med stor tillförlitlighet. Det kan exempelvis innebära att kvantitativ data som samlas in ska vara av god reliabilitet för att försäkra god validitet (Patel & Davidson, 2019).
2.3.3 Källkritik
Källkritik behandlar hur källor ska analyseras i syfte om att försäkra god forskningskvalitet. En fråga författaren kan ta ställning till är syftet till informationsspridningen. Dessutom kan hen fundera över vem som har författat informationen och om denne person är kunnig inom området (Patel & Davidson, 2019). Vidare kan det behandla huruvida information är aktuell och om uppgifterna framkommit i första hand eller inte. Författaren skall även överväga att jämföra olika källor för att säkerställa att informationen är trovärdig (Blomkvist & Hallin, 2014).
2.3.4 Tillämpning av forskningskvalitet
God forskningskvalitet är väsentligt för att uppnå ett trovärdigt resultat. Forskningskvalitet i denna studie kommer att framstå av god kvalité genom bland annat väl avvägda källor samt handledning från både näringsliv och utbildningsinstitution. Den data som är i kvalitativ form baseras på främst åtta stycken referentgranskade artiklar och litteratur inom området, vilket styrker reliabiliteten. Insamling av kvantitativ data sker i form av mätningar på fallstudieobjektet. I övrigt kommer studien att följa de krav som Vetenskapsrådet har framställt.
3. Teori
I detta kapitel beskrivs teorin till arbetet. Teorin kommer appliceras i arbetet för att uppfylla dess syfte, frågeställningar och mål. Teorikapitlet diskuterar främst produktutveckling.
3.1 Produktutvecklingsprocessen
Produktutvecklingsprocessen är ett sätt att systematiskt definiera steg och uppgifter. Denna process beskriver hur produkten ska utvecklas, designas och marknadsföras. Produktutvecklingsprocessen är en process företag använder sig av för att generera, designa och lansera produkter. Det används olika sorters utvecklingsprocesser beroende på vad ett företag ska utveckla, men en väldefinierad process är fördelaktigt (Ulrich & Eppinger, 2014). De saker som bör följas är:
● Kvalitetssäkring , det bör finnas kontrollpunkter och specificerade faser i utvecklingsprocessen att följa. Väl valda kontrollpunkter och faser ger upphov till en slutprodukt med kvalitetssäkring.
● Koordination , en plan för de olika medlemmarna i utvecklingsteamet, kring när deras kompetens kommer till användning samt med vem de ska dela material och information.
● Planering , under utvecklingsprocessen finns delmål som är slutförande av de olika faserna. Ett tidsschema för dessa delmål appliceras i schemat för det totala utvecklingsprojektet (Ulrich & Eppinger, 2014). Det är viktigt att skapa en färdig planering före start av produktutvecklings- processen. I planeringen bör det finnas en beskrivning hur nuvarande stadie ska nå sitt målstadium (Tzortzopoulos & Sexton, 2007).
Det finns fem bra rekommendationer för produktutveckling. Först ska ett överenskommet syfte med problemet bestämmas, det ska vara enkelt och ha öppna närvarande förbättringsprinciper. För det andra ska det vara användbart och applicerbart. För det tredje ska det finnas en bra relation mellan designer och användare. Sociala reflektioner spelar en viktig roll i kunskapsutbytet. För det fjärde ska designer och användare vara motiverade, detta för att få en framgångsrik applicering. Till sist ska det också framgå en god implementering med avseende på dess behov (Tzortzopoulos & Sexton, 2007).
I figur 3.1 illustreras de steg i produktutvecklingsprocessens som valdes för detta arbete.
Figur 3.1: Illustration av produktutvecklingsprocessen.
3.1.1 Problemdefinition
Problemdefinitionen är en väsentlig del för att verkligen förstå vad problemet är, samt varför det är ett problem. Denna information framgår främst i introduktionskapitlet. Definitionen av problemet är den viktigaste delen i arbete för att uppnå ett bra resultat (Jackson, 2009). Problem- definitionen för detta arbete beskrivs dels i kapitel 1, dels i kapitel 4.4.1. 3.1.1.1 Nulägesanalys
För att nå specifika mål är det viktigt att skapa sig en utgångspunkt, vad vi har valt att kalla “nuläge”. Beskrivningen av nuläget bör vara dokumenterad samt strukturerad och alla involverade parter i arbetet bör vara ense om den. Den ska fungera som utgångspunkt för förbättringsinsatser och analysen kan även kontrolleras av oberoende experter (Hagberg & Henriksson, 2018). Delaktiga parter i denna studie är uppdragsgivaren (Abetong), handledaren på AFRY samt Linnéuniversitetet och författarna.
3.1.1.2 Identifiering av kundbehov
Kundens behov kan samlas in med hjälp av intervju eller observation. Kunden är viktig att förhålla sig till och det viktiga är inte att fullfölja eventuellt intervjuprotokoll, utan att samla in viktig information om kundbehoven. Presentera även koncept med fördel av tidiga reaktioner. Om kunden dessutom demonstrerar, ställ frågor samt var uppmärksam på både visuella och verbala handlingar. Nästa steg i processen är att överföra dessa,
så kallade kundbehov och kundönskemål till teknisk målspecifikation. Vid detta steg är det viktigt att uttrycka kraven i termer om vad produkten ska göra, och inte hur. Formuleringarna ska vara positiva och inte negativa. Dessutom är det en fördel om behoven uttrycks som egenskaper hos produkten. Kundens behov och önskemål kan även uttryckas som produktmål från företaget (Ulrich & Eppinger, 2014). Kundbehoven fram- ställs som ursprungliga krav i kapitel 4.4.2.6
3.1.1.3 Uppdragsbeskrivning
Uppdragsbeskrivningen är ett kort sätt att beskriva funktionen av produkten. I denna beskrivning ska produktutvecklingens inriktning framgå. I uppdragsbeskrivningen bör visionen med produkten och vem som ska bruka produkten framgå. Vidare ska en kort problembeskrivning utredas. Slutli- gen bör strategi och mål med produkten framgå (Ulrich & Eppinger, 2014). 3.1.2 Produktspecifikation
Produktspecifikationen resulterar i de så kallade ursprungliga kraven. Detta är 1) krav som är översatta till mätbara tekniska kriterier av produktmål från företaget 2) funktionella krav från användningsfallen. Med andra ord; detta är kapitlet då kundspecifika produktmål översätts till tekniska mätbara ingenjörsmål. Idén av hur de ursprungliga kraven arbetas fram, visas i figur 3.2 (Jackson, 2009).
Figur 3.2: Illustration av arbetsprocessen vid skapande av de ursprungliga kraven (baserad på Jackson, 2009).
3.1.2.1 Användningsfall
Användningsfall består av fem huvudsakliga delar i en tabell: 1) namn på situation 2) dess initiala villkor 3) situation i kronologisk ordning 4) dess avslutande villkor 5) eventuella anteckningar. I tabellen framgår även tre kolumner med rubriker för operatören, systemet och en yttre entitet. Användningsfallen är ett sätt att beskriva hur entiteterna samverkar i olika situationer (se tabell 3.1). Kolumnen för systemet är det som ger upphov till produktens funktionella krav, vilka senare används i kvalitetshuset (Jackson, 2009).
Tabell 3.1: exemplifiering av verktyget användarfall, baserad på (Jackson, 2009).
1. Avfyra armborst.
2. Initiala villkor:
Armborst är oladdad.
3. Användare (skytt) System (armborst) Yttre entitet (pil)
Användaren laddar armborstet.
Systemet ska tillåta laddning.
Pilen befinner sig i laddat läge. Systemet ska hålla kvar pilen.
Användaren avfyrar armborstet.
Systemet ska upptäcka kommando att avfyra pilen. Systemet ska skjuta iväg pilen.
Pilen skjuts iväg.
4. Avslutande villkor:
Armborst är oladdad.
5. Noteringar:
-
3.1.2.3 Kvalitetshuset
Behovs-egenskapsmatris ligger till grunden för “kvalitetshuset” (House of Quality). I denna matris visas förhållandet mellan egenskaper och behov på den önskade produkten, vilka sedermera appliceras i kvalitetshuset. Kvalitetshuset används för kundcentrerad kvalitetsutveckling (Quality Function Deployment som förkortas QFD) (Ulrich & Eppinger, 2014). QFD är en separat metodik, där kvalitetshuset är en del i denna metodik som är användbar. QFD lämpar sig främst för att förbättra produkter och inte för att utveckla nya (Blomqvist & Forsman, 2013). I kvalitetshuset beskrivs produktegenskaper och kundönskemål varav dess samband beskrivs sedan i mitten av huset (Bergman & Klefsjö, 2012). Se tabell 3.2 för illustration av hur kvalitetshuset förslagsvis kan utformas.
Tabell 3.2: En beskrivning av hur kvalitetshuset utformas (baserad på Blomqvist & Forsman, 2013).
Kvalitetshuset Korrelation:
Titel ⚫ Starkt
↓ Kundens krav och önskemål
Krav (K) eller önskemål (Ö)
↳ Mätbara tekniska kriterier ⭕ Medium
Här översätts produktmålen till mätbara tekniska kriterier
◯ Svagt
Här appliceras Här visas sambanden mellan produktmålen produktmålen och de mätbara tekniska kriterierna från företaget
Enhet:
Här skrivs de enheter som de mätbara tekniska målen ska uttryckas i
Nuvarande specifikation:
Här skrivs den nuvarande specifikation (om sådan finns)
Målspecifikation:
Här uttrycks målen för produkten i mätbara termer
3.1.3 Konceptgenerering
Konceptgenerering utförs för att finna ett antal produktkoncept som anses vara lämpade som lösningsförslag för att uppnå kundens behov. Konceptgenereringen består i stora drag av en kombination mellan externa sökningar, ett kreativt problemlösningsarbete inom teamet samt en systematisk uttagande av dellösningar. Detta ger oftast upphov till koncept som förklaras i skiss och textform (Ulrich & Eppinger, 2014).
3.1.3.1 Flödesstruktur
I en flödesstruktur beskrivs de flöden som produkten ska innehålla, i form av signaler, energi och material. Fördelen med denna typ av struktur är att risken för att glömma vissa funktioner minimeras. Dessutom resulterar en bra flödesstruktur i en genomtänkt produkt. Nackdelen med strukturen är att metodiken inte lämpar sig till produkter utan uppenbara flöden (Blomqvist & Forsman, 2013).
3.1.3.2 Intern sökning
Intern sökning är något som även brukar benämnas som brainstorming, och som går ut på att nyttja den redan befintliga kunskap utvecklingsteamet besitter. Målet är att genom brainstorming ge rum för kreativt tänkande för att ge upphov till konceptlösningar. Något som är viktigt under den interna sökningen är att inte sätta gränser för kreativiteten. Genom att skjuta upp beslut kan vad som tidigare ansetts som ej relevanta koncept bli relevanta, vid viss korrigering (Ulrich & Eppinger, 2014).
3.1.3.3 Morfologisk matris
Med hjälp av en morfologisk matris kombineras funktioner ihop med lösningar för att finna bra kombinationer på problem. Sedermera kopplas olika lösning ihop med varandra i syfte om att uppfylla alla funktioner som är specificerade för produkten. Förslag på hur en morfologisk matris kan konstrueras visas i tabell 3.3 (Blomqvist & Forsman, 2013).
Tabell 3.3: Förslag på utformning av morfologisk matris (baserad på Blomqvist & Forsman, 2013).
Morfologisk matris
Datum:
Nr. Funktion: Förslag...
1 Transporteras med Hjul Larvfötter
2 Drivs med Elmotor Förbränningsmotor
3 Drivs på Marken Spår/Räls
Enligt tabell 3.3 kan ett koncept skapas genom att exempelvis kombinera: transporteras med - hjul, drivs med - förbränningsmotor, drivs på - marken. 3.1.4 Konceptval
I konceptvalet utvärderas de olika koncepten, vilka ställs i relation till kundens behov och kriterier. Här väljs ett antal lämpliga koncept ut, som sedan testas, utvecklas eller undersöks noggrannare (Ulrich & Eppinger, 2014).
3.1.4.1 Relativ utvärdering (Pugh)
Stuart Pugh utvecklade en metod för att sålla koncept, varav denna metod benämns Pughs konceptvalsmatris (Ulrich & Eppinger, 2014). Den kan även kallas relativ utvärdering och är en metod för att jämföra koncept med varandra, vilken illustreras i tabell 3.4. Detta sker i förhållandet mellan krav och önskemål. Metoden ger även upphov till förbättringar och utförandet av metoden består av en rad olika steg (Blomqvist & Forsman, 2013):
● En rangordnad lista med selektion av lämpligt utvalda kriterier att utvärdera. Dessa kriterier baseras ofta på krav och önskemål från kund. ● Det rekommenderas att bestå av ett stort antal kriterier för att skilja på de
olika koncepten.
● Förslagen jämförs rättvist genom att de anges i samma detaljerade nivå. ● Välj sedan ut en referens bland koncepten (lämpligtvis det som anses
vara bäst).
● Betygsätt ett kriterium i taget med ett av följande tecken: “-” (sämre än referens), “+” (bättre än referens) eller “S” (likvärdig referensen) i jämförelse med referenskonceptet. Dessa val rekommenderas att baseras på beräkningar och fakta.
● Summera tecknen för vardera koncept.
● Granska styrkor och svagheter i de olika koncepten. ● Välj sedan ut vilka koncept som ska utvecklas vidare.
I tabell 3.4 framgår det till exempel att koncept 1 är likvärdigt med “referensen” (koncept 3) angående robust design. Att egenskapen är likvärdig betecknas, som tidigare nämnt med “S”.
Tabell 3.4: Förslag på hur tabell över relativ utvärdering (Pugh) kan utformas (baserad på Blomqvist & Forsman, 2013).
Titel Datum:
Förslag →
Koncept 1 Koncept 2 Koncept 3 Koncept 4 Koncept 5 Nr. Kriterier för utvärdering ↓ 1 Robust design S + R S + 2 Kostnadseffektiv S - E S - 3 Säkerhet - + F - + 4 Användarvänlig + S E + S 5 Tillförlitlig S - R S - 6 Livslängd S - E S - 7 Reparerbar - + N - - 8 Energieffektiv - + S - + Summa + 1 4 0 1 3 Summa - 3 3 0 3 3 Summa S 4 1 8 4 1 Summa total −2 1 0 −2 0 Kommentarer:
Vidareutvecklas: Nej Ja Ja Nej Ja
Åtgärder: Inga Vidare bedömning i Absolut utvärdering Vidare bedömning i Absolut utvärdering Inga Vidare bedömning i Absolut utvärdering 3.1.4.2 Absolut utvärdering
Efter den relativa utvärderingen görs en absolut utvärdering . Här värderas koncepten med poäng till skillnad från den relativa utvärderingen där de ställs mot en referens. Det är viktigt att dela upp de ekonomiska och tekniska kriterierna under poängsättningen. Om kriterier anses vara mer betydelsefulla går det använda sig av viktning för att få ett mer rimligt resultat. Poängsätt sedan förslagen efter hur väl de uppfyller kriterierna. Förslagen presenteras med bilder och beskrivningar separat (Blomqvist & Forsman, 2013).
Sammanställ sedan varje förslag för sig och räkna ut de ekonomiska och tekniska summorna. För varje förslag räknas ett totalbetyg ut (Blomqvist & Forsman, 2013). Absolut utvärdering exemplifieras i tabell 3.5. I tabellen framgår det till exempel att koncept 5 har en lägre driftsäkerhet än koncept 3. Detta kriterium är även viktad med “2x”, vilket betyder att den anses två gånger så viktig som resterande kriterium i tabellen.
Tabell 3.5: Förslag på hur tabell över absolut utvärdering kan utformas (baserad på Blomqvist & Forsman, 2013).
Titel Datum:
Förslag → Vikt Koncept 2 Koncept 3 Koncept 5 Nr. Tekniska kriterier ↓ Poäng (0-4)
Poäng x vikt Poäng (0-4) Poäng x vikt Poäng (0-4) Poäng x vikt 1 Driftsäker 2x 2 4 4 8 1 2 2 Hög hastighet 4 4 1 1 3 3 3 Robust konstruktion 3 3 3 2 2 2 4 Hög produktivitet 2 2 4 4 1 1 Totalt (T) 11 13 12 15 7 8 Tekniskt betyg R t = T/Tmax 0,65 0,75 0,40 Kommentar Ekonomiska
kriterier ↓ Vikt Koncept 2 Koncept 3 Koncept 5
1 Enkel användning 2x 2 4 4 8 4 8 2 Energieffektiv 4 4 1 1 2 2 3 Enkel tillverkning 3 3 3 3 3 3 4 Låg anskaffningskostnad 1 1 4 4 1 1 Totalt (E) 10 12 12 16 10 14 Ekonomiskt betyg R e = E/Emax 0,60 0,80 0,70 Kommentar Totalbetyg R = sqrt(R t * R e ) 0,62 0,77 0,53 Beslut 3.1.5 Produktarkitektur
Syftet med produktarkitekturen är att definiera de grundläggande komponenternas funktion i produkten och hur de samverkar med det totala systemet. Detta är ett avgörande steg i detaljutvecklingen och möjliggör att olika team arbetar på olika komponenter parallellt. Dessutom kan det vara viktigt att skilja på produktens fysiska och funktionella termer. De fysiska termerna beskriver hur komponenterna tillsammans bygger upp en struktur
som utgör produktens funktion (Ulrich & Eppinger, 2014). Fortsättningsvis beskriver Ulrich & Eppinger (2014, s.246-247), vilka funktionella termer kring produktens “[...] enskilda operationer och transformationer som bidrar till produktens övergripande prestanda.”
3.1.5.1 Design för X
Begreppet design för X är en del i hur produktutvecklingen anpassas till miljö, tillverkning och sammanställning. På engelska uttrycks exempelvis design för tillverkning som - Design For Environment (DFE) (Blomqvist & Forsman, 2013).
Design, även uttryckt som konstruktion för miljö tar hänsyn till i hur produkten ska produceras med minimalt avtryck på miljön. Vidare kan det även innefatta minskade transportutsläpp. Konstruktionen bör även vara relativt enkel att demontera då det underlättar vid återvinning och service (Ulrich & Eppinger, 2014).
Design för tillverkning (Design For Manufacturing - DFM) anpassas på sådant sätt att exempelvis vid skärande bearbetning ska hålen designas efter tillgängliga verktyg. Det kan i praktiken betyda att håldiameter ska anpassas till standardiserade borrstorlekar. Däremot vid exempelvis formsprutade detaljer ska tjockleken minimeras, då det förkortar svalningstiden, vilken är i relation till ekonomi (Blomqvist & Forsman, 2013).
Design för sammanställning (Design For Assembly - DFA) syftar till att minska antalet komponenter och att organisera dem till delsystem. Med fördel monteras även flera komponenter från samma sida och i lättillgängliga utrymmen. Dessutom är det viktigt att använda standardiserade komponenter i så stor utsträckning som möjligt (Blomqvist & Forsman, 2013).
3.1.5.2 Simulering och parameteroptimering
Tredimensionella modeller (3D) konstrueras vanligtvis i program som stödjer Computer-Aided Engineering (CAE). Program som stödjer CAE behandlar således CAD-filer, varvid CAD beskrivs som Computer-Aided Design på engelska. I vardagligt tal benämns dessa modeller som CAD-modeller och består vanligtvis av primitiva geometrier som rätblock, cylindrar och hål. Fördelen med CAD-modeller är att visualisering av koncept eller liknande blir relativt enkelt. Dessutom innehåller vanligtvis professionella CAE-program möjligheten att simulera olika modeller och koncept. En vanligt förekommande metod är att optimera parametrar, vilka bygger upp 3D-modeller genom Finita Elementmetoden (FEM) (Ulrich & Eppinger, 2014). Program för FEM-analys är till stor hjälp vid beräkning av hållfasthet på komplicerade geometrier (Blomqvist & Forsman, 2013). Programmet delar upp modellen i mindre enheter (element) med hjälp av ett FEM-nät, även kallat mesh (Faleskog, 2013), som kopplas samman med
nodpunkter. Sedermera beräknas nodernas inverkan på varandra (Blomqvist & Forsman, 2013).
Parameteroptimering är ett sätt att analysera exempelvis spänningar som kan uppkomma i konstruktioner. Målet med optimeringen är att minska spänningarna så att risken för permanent deformation inträffar. I datormiljö visualiseras detta med färgspektrum från röd färg vid höga spänningar till blå färg vid lägre spänningar (Schulz et al., 2017).
Det är främst tre saker som krävs för att göra en FEM-analys:
● Egenskaper inom elasticitetsmodul och Poissons tal (se kapitel 3.1.6.1) måste anges till den CAD-modell som skall simuleras. Detta görs genom att välja ett material på modellens komponenter. Beräkningarna baseras följaktligen på inmatad data.
● Modellen måste även låsas på ett sätt så att simuleringen speglar verkligheten så väl som möjligt. Det låsningen gör är att begränsa modellens rörlighet så att deformation kan appliceras.
● Till sist gäller det att applicera de laster som uppstår på modellen. De inparametrarna som krävs här är hur stor kraft som påverkar modellen och vilken riktning kraften har, samt på vilken yta den trycker mot (Blomqvist & Forsman, 2013).
När programmet gjort en FEM-analys ska resultatet tolkas. Simuleringen ger i sig en rad olika resultat av olika sorters spänningar (Blomqvist & Forsman, 2013). I Autodesk Inventor Professional 2018 är von Mises Stress förstahandsval. När von Mises Stress är valt visas effektivspänningarna, vilka passar bra vid dimensionering mot sträckgränsen. (Blomqvist & Forsman, 2013). För att kontrollera så att ingen permanent deformation inträffar beräknar Autodesk Inventor Professional 2018 säkerhetsfaktorn som en kvot av spänningarna dividerat med materialets sträckgräns (Autodesk).
3.1.6 Mekanik och hållfasthet 3.1.6.1 Poissons tal
Om exempelvis en stav blir belastad med en spänning kommer det uppstå en axial förlängning av staven i kraftens riktningar. Detta medför att det kommer bli en lateral sammandragning. Skillnaden i utformning av staven visas i figur 3.3. Den laterala töjningen ε´ är proportionell mot den axiala töjningen ε ( epsilon ) om de mäts från samma punkt, samt om materialet är linjärt elastiskt. Förhållandet mellan dessa töjningar är en egenskap i materialet kallat Poissons tal ( Poisson's ratio ). Detta enhetslösa tal benämns ofta med den grekiska bokstaven 𝜈 ( ny ), vilket kan uttryckas enligt ekvation (1). Konstanten beskriver hur materialet reagerar på drag- och tryckkrafter (Gere & Goodno, 2018).
ν =
laterala töjningenaxiala töjningen=
ε ε´(1)
Figur 3.3: Illustrering av sambandet mellan axial- och lateral töjningen (baserad på Gere & Goodno, 2018), a) staven innan last, b) staven under en last.
Mätningar har gett värden mellan 𝜈 = 0,25-0,35 för de flesta metaller, medans beräkningar givit värdet 𝜈 = ⅓ (Gere & Goodno, 2018). Det finns värden och dessa varierar beroende på material (Juvinall & Marshek, 2012). 3.1.6.2 Hookes lag
När ett material visar elastiska egenskaper, och samtidigt visar en linjär relation mellan spänning och belastning, är materialet linjärt elastiskt. Detta linjära samband kan beskrivas med Hookes lag:
ε
σ = E (2)
varvid σ ( sigma ) är den axiella spänningen, E är elasticitetsmodulen och ε är den axiella töjningen. Elasticitetsmodulen och den axiella spänningen anges i SI-enheten Pascal ( Pa ), medan den axiella töjningen är enhetslös. Elasticitetsmodulen är vad som beskriver den linjära delen i stress-töjnings-diagrammet, se figur 3.4 (Gere & Goodno, 2018).
Hookes lag är namngiven efter den engelska forskaren Robert Hooke ( 1635-1703 ). Hooke var den första forskaren att undersöka elastiska egenskaper i material. I Hookes lag ingår som tidigare nämnt elas- ticitetsmodulen, E. Denna modul benämns även ibland som Youngs modul och är namngiven efter Thomas Young ( 1773-1829 ), även Young hade ursprung i England (Gere & Goodno, 2018).
3.1.6.3 Säkerhetsfaktor
Säkerhetsfaktorn är ett begrepp som används för att beskriva ett förhållande mellan styrkan i materialet och spänningar från normalt förväntade laster. Denna faktor beräknas genom citerad formel från boken Machine Component Design (2012):
F
S = corresponding signif icant stress, f rom normally expected loadssignif icant strength of the material
(3)
Säkerhetsfaktorn kan enligt Joseph Vidosic baseras på sträckgränsen i boken Machine Component Design (2012). Om materialet är vanligt före- kommande, under normala förhållanden, exponerad för kända laster och spänningar kan säkerhetsfaktorn väljas mellan 2-4. Om materialet däremot används i mindre kända miljöer eller exponerad för okända laster ska säkerhetsfaktorn väljas mellan 3-4. Vidare skall även säkerhetsfaktorn anpassas utefter utmattning, slagkraft samt hur skört materialet är (Juvinall & Marsehek, 2012).
Med moderna verktyg för att göra beräkningar minskar antalet osäkerheter kring hållfastheten, något som ger möjlighet till att minska ned säkerhetsfaktorn. Vanligtvis ges det dock lite rum för felmarginal genom att ha en säkerhetsfaktor från 1,25-4 (Juvinall & Marsehek, 2012).
3.1.6.4 Tippvinkel med hänsyn till tyngdpunkt
Ett objekt på ett lutande plan, förutsatt att friktionen är tillräcklig kommer att tippa då summan av θ (theta) och Φ (fi) blir 90 grader . Detta illustreras i figur 3.5, då tyngdkraftsvektorn “m*g” går genom hörnet på rektangeln (markerad med röd cirkel). Beräkningen utgår från tyngdpunktens position i strukturen, vilken kan beräknas med hjälp av CAD-program. Denna aspekt är fundamental med avseende på stabiliteten vid konstruktion ( Royal Academy of Engineering) . I boken Mekanik (2013) diskuteras även skillnaden mellan masscentrum och tyngdpunkt. Masscentrum är den punkt där ett materiellt system sammanfaller, oberoende av yttre påverkan från krafter. Tyngdpunkt däremot är beroende av yttre påverkan från krafter, som i ett homogent gravitationsfält ( t.ex. jorden ) sammanfaller med masscentrum (Jansson & Grahn, 2013).
Figur 3.5: Kritisk tippvinkel (baserad på Royal Academy of Engineering).
3.1.7 Prototyp
Enligt Ulrich & Eppinger (2014, s.375) definieras prototyp som “en approximation av en produkt inom ett eller flera intresseområden”. Prototyper bör delas in i två perspektiv, dels analytiska gentemot fysiska, dels vilken grad de är specialiserade i motsats till omfattande. Prototyper används för en rad olika syften. Det används bland annat för kommunikation, inlärning och integration. Prototyper kan bidra med en rad olika saker (Ulrich & Eppinger, 2014):
● Med hjälp av fysiska prototyper går det att upptäcka oväntade egenskaper.
● Analytiska prototyper ger upphov till en stor flexibilitet under utvecklingen.
● Prototyper minimerar risken för kostsamma iterationer. 3.2 FMEA (riskanalys)
Felmods-och-feleffektanalys (Failure Mode and Effects Analysis - FMEA), är en metod för att göra en tillförlitlighetsanalys. Metoden går igenom en produkt eller process, genom att titta på dess: felorsaker, felkonsekvenser, felsätt och funktion. Metoden görs oftast som en kvalitativ analys av relationen mellan komponenters felkonsekvenser parallellt mot kompon- enters felsätt. Detta sker på systemnivå kring hur åtgärder kan vidtas. Det finns lite olika användningsområden för en FMEA, bland annat finns det en grov analys som görs redan vid planering och definitionsfasen av produkter. Detta för att se om produkten uppfyller marknadens krav. Sedan går det att göra en mer noggrann analys under konstruktions- och utvecklingsfasen.
Detta för styrning av tillförlitlighetsaktiviteter. Ett sådant utförande kallas konstruktions-FMEA och är ett bra underlag för konstruktionsgenomgångar. Vidare finns det även process-FMEA som används vid analysering av tillverkningsprocessen. Ett process-FMEA är ett verktyg som således kan användas som underlag till processtyrning (Bergman & Klefsjö, 2012). FMEA är en kreativ metod, som vid korrekt användning, kan ge upphov till lösningar på svåra problem (Blomqvist & Forsman, 2013). Riskanalysen används för att få ut ett riskprioriteringsnummer ( Risk Priority Number - RPN ), vilket räknas ut med hjälp av tre olika värden. Första värdet är felsannolikhet ( F ), andra är allvarlighetsgrad ( A ), och tredje är upptäcktssannolikhe t ( U ). Produkten av dessa tre tal blir RPN-värdet (Bergman & Klefsjö, 2012). Ett förslag på en FMEA visas i tabell 3.6a och b.
Tabell 3.6a: Illustration av konstruktions-FMEA, baserad på (Bergman & Klefsjö, 2012).
FMEA Datum:
Nr: Process/ funktion Sorts fel Orsak till fel Effekten av felet Riskanalys F A U RPN
1. Batteri som
strömkälla i bil Urladdat batteri Ålder Bilen startar ej 6 1 2 12 Korta
körsträckor Bilen startar ej 8 1 2 16
2. Vindruta i bil Spricka Stenskott Dålig sikt 9 3 1 27
Tabell 3.6b: Fortsättning på illustrationen av konstruktions-FMEA, baserad på (Bergman & Klefsjö, 2012).
Nr: Åtgärd som rekommenderas Utförd åtgärd Ny riskanalys F A U RPN
1. Byt ut batteriet Utbytt batteri 1 1 1 1
Underhållsladda batteriet Underhållsladdning av batteri 1 1 2 2
2. Laga sprickan Ingen åtgärd 9 3 1 27
Värdering av kriterierna citeras från Hagberg och Henriksson (2018, s.557-558) i tabell 3.7.
Tabell 3.7: Bedömning kring felintensitet, allvarlighetsgrad och upptäcktssannolikhet (citerad av Hagberg och Henriksson, 2018).
Felintensitet Felfrekvens Värdering Upptäcktssannolikhet Värdering Osannolikt att fel kan uppträda <1/100 000 1 Fel som alltid upptäcks 1 Mycket liten sannolikhet för fel <1/10 000 2-3 Normal sannolikhet för felupptäckt 2-3 Liten sannolikhet för fel <1/1 000 4-5 Viss sannolikhet för upptäckt 4-6 Viss sannolikhet för fel <1/100 6-7 Liten sannolikhet för upptäckt 7-9 Hög sannolikhet för fel <1/10 8-9 Osannolikt att felet upptäckts 10 Mycket hög sannolikhet för fel <1/1 10
Allvarlighetsgrad Värdering Ingen olycksrisk 1 ... 2-3 ... 4-6 ... 7-9 Allvarlig 10
“Fuzzy logic” är något som används för att få fram relationer. Vanligtvis vill man få ut ett RPN från en FMEA, men det kan vara svårt att sätta ut siffror som uttryck för en korrelation. I “Fuzzy logic” används beskrivningar mer naturliga för människor, nämligen termer. Förslagsvis “väldigt låg”, “medium” och “hög”. Emellertid är dessa termer baserade på siffror, vilket leder till att resultatet av att applicera termerna i en FMEA blir ett RPN (Abdelgawad & Fayed, 2010).
3.2.1 Lagar kring arbetsmiljö och säkerhet
Kopplat till utveckling av en ny lastanordning är det viktigt att denna utrustning/maskin följer de lagar och förordningar som finns enligt Arbetsmiljöverket. Vid arbete med fallrisker från 2 meter eller mer skall riskerna förebyggas (Abetong, Instruktion för framkomlighet och säkerhet för transporter av betongelement).
Vidare i Arbetsmiljölagen, i kapitel 3, paragraf två framgår det att “Arbetsgivaren ska vidta alla åtgärder som behövs för att förebygga att arbetstagaren utsätts för ohälsa eller olycksfall. [...] Arbetsgivaren ska beakta den särskilda risk för ohälsa och olycksfall som kan följa av att arbetstagaren utför arbete ensam. Lokaler samt maskiner, redskap, skyddsutrustning och andra tekniska anordningar ska underhållas väl.” (Arbetsmiljöverket).
3.3 Lean
3.3.1 I produktion
Lean handlar om att undvika alla former av slöseri, där fokus ligger på att skapa värde för kunderna. “Allt som inte skapar värde för nuvarande eller framtida kunder räknas som ett potentiellt slöseri.” Målet är att identifiera de aktivitetsflöden eller processer som finns i produktionen, även kallat värdeflöden inom Lean (Bergman & Klefsjö, 2012, s.588).
I en produktion uppstår ofta flaskhalsar och detta är med andra ord något som begränsar produktionen med andra ord något som begränsar produktionen. Den flaskhals i produktionen med minst bra flöde kommer påverka den totala genomloppstiden i systemet. Därav är det viktigt att lägga fokus på förbättring vid denna flaskhals (Bergman & Klefsjö, 2012). Slöseri inom produktion kan fördelas i olika grupper och nedan nämns några väsentliga för detta arbete.
● Väntan, när operatörer eller maskiner behöver vänta på att utföra sin del i produktionen. Detta är inte värdeskapande och bör således minimeras, alternativt elimineras.
● Onödiga transporter, transporter utgör inget värde för den slutgiltiga produkten, och innebär därmed slöseri. Målet är därför att eliminera onödiga transporter, genom omorganisation.
● Inkorrekta processer, när en process skapar en produkt som inte uppnår kraven eller behöver komplimenterande arbete. Dessa fel bör ordnas så snabbt som möjligt, för att undvika mer slöseri.
● Onödiga rörelser, all rörelse och förflyttning arbetarna behöver göra som är onödiga är ett slöseri. Målet är att minimera rörelse inom produktionen.
● Defekter, omarbetning och korrigering av produkter, samt kvalitets- granskning kräver tid. Därav bör de minimeras.
● Outnyttjad kreativitet, medarbetare i produktionen har potentiell kunskap och idéer kring förbättringar som sällan tas till vara på (Bergman & Klefsjö, 2012).
Motsatsen till slöseri är däremot värdet för kunden. För att tydliggöra detta är värdeflödesanalys (Value Flow Analysis - VFA) ett godtyckligt verktyg. Ett vanligt förekommande sätt att illustrera detta verktyg är med hjälp av en tabell. I tabellen framgår; aktiviteten och om det skapat värde för kunden eller inte. För exemplifiering av en stålverkstad, se tabell 3.8 (Ray & Ripley & Neal, 2006).
