Framtagning av ett mätkonceptsförslag angående mjukhetsmätningen på tissue-papper

Örebro universitet Örebro University

Institutionen för School of Science and Technology naturvetenskap och teknik SE-701 82 Örebro, Sweden

Examensarbete, 15 högskolepoäng

Framtagning av ett mätkonceptsförslag angående

mjukhetsmätningen på tissue-papper

Kroona Gustav, Karlsson Jonatan Industriell ekonomi, 180 högskolepoäng

Örebro vårterminen 2019

Examinator: Hilmerby Sören

Sammanfattning

Detta är en förstudie som går ut på att utveckla ett mätkonceptsförslag. Förslaget ska kunna fungera som ett potentiellt fundament för fortsatt arbete för att kunna avgöra mjukheten hos tissue-papper, det vill säga hög-absorberande papper som till stor del används för

hygienändamål som exempelvis toalettpapper och servetter. Förslaget ska integreras med mätinstrumentet Syntouch BioTac som är en haptisk sensor samt tryck- och dragprovaren Lloyd LR5K. Kravet för att mätkonceptet ska vara acceptabelt är att det ska vara objektivt samt repeterbart.

En litteraturstudie genomfördes tidigt som resulterade i att författarna insåg att en prototyp behövde konstrueras. Prototypen utvecklades med hjälp av nödvändiga teorier som skulle säkerhetsställa att framtagningen av prototypen gjordes på ett objektivt sätt.

Tre olika typer av tissue-papper valdes ut för att genomgå mätmetoden med den konstruerade prototypen. Mätmetoden genererade data som sedan analyserades med lådagram och

dessutom åskådliggjordes testresultatet med grafer. Datan analyserades och resulterade i att förstudien gav författarna ett positivt utslag på frågeställning. Det vill säga att

mätkonceptsförslaget uppfyllde objektivitet samt repeterbarhet.

Abstract

This is a pilot study which involves a development of creating a proposal for a concept that can measure tissue-paper. This study should be able to be used as a fundamental thesis for future studies that will determine the softness of tissue-paper, ergo paper that is highly absorbent of liquids which is frequently used for personal hygiene such as toilet paper and napkins etc. The concept must be integrated with the haptic sensor Syntouch BioTac which is mounted on the push-pull tester Lloyd LR5K. The requirement to make this study successful is that the measuring concept will produce data which not only is objectively created but also repeatable.

The study began with research which resulted with the conclusion that a prototype needed to be created that would make it possible to perform tests on the tissue-papers. Creating the prototype was made possible by using a few necessary theories which would ensure that it would be done accordingly with minimal subjective input.

Three different kinds of tissue-paper were chosen to go through the measuring procedure with the constructed prototype. The data that was obtained from the procedure was then analyzed with boxplots and the test results were also depicted into graphs. The conclusion that was made after analyzing the data was that the authors of this study had obtained a positive verdict according to their issued question. Thus, the measuring concept was presenting objectively and repeatable results.

Förord

Denna rapport är inom ämnet maskinteknik och har skrivits av Jonatan Karlsson och Gustav Kroona. De har studerat programmet högskoleingenjör; Industriell ekonomi på Örebro universitet på 180 högskolepoäng, varav denna rapport tillhör examensarbetet om 15 högskolepoäng.

Författarna vill framhålla Christer Korin på grund av hans engagemang och support. Under projektets tidsperiod har han ideligen varit disponibel för att svara på frågor för att hjälpa projektet att röra sig i rätt riktning, ofta med hjälp av motfrågor för att få författarna att fundera själva på eventuella lösningar.

Även ett tack ska ges till Sverker Albertsson som jobbar på Södra. Han har svarat på frågor och gett författarna ett annat perspektiv angående tissue-papper samt dess mjukhet.

Terminologi

BioTac – BioTac är en haptisk sensor som innehåller 19 stycken sensor som mäter data som vibrationer, krafter samt temperaturer. Den är ungefär lika stor som en tumme skapad för att artificiellt kunna känna vad ett mänskligt finger känner.

CAD – Computer Aided Design. Kan användas för att skapa solidmodeller.

Haptisk sensor – En sensor som ska fungera som ett mänskligt finger. Det vill säga att den ska kunna skapa en illusion av vad det mänskliga fingret känner.

Lloyd LR5K – Tryck- och dragprovare som kan utföra dragprov, kompressionstest och flextester.

Nettoexport – Differensen på värdet av vad ett land importerar samt exporterar. Detta skapar en handelsbalans som antingen är positiv eller negativ.

Taktil – Information angående beröringskänsla.

Tissue-papper – Hög-absorberande papper som till stor del används för hygienändamål exempelvis toalettpapper och servetter.

Innehållsförteckning

2.1.1 Miljöpåverkan - hållbar utveckling ... 11

2.2 Tidigare arbeten av uppdragivaren ... 12

2.3 Tidigare utfört arbete av andra ... 12

2.4 Beskrivning av teknikområdet ... 13 3 TEORI ... 14 3.1 Teorier för prototypframtagning ... 14 3.1.1 Mindmap ... 14 3.1.2 Brainstorming ... 14 3.1.3 Viktbestämningsmatris ... 14 3.1.4 Morfologisk matris ... 15 3.1.5 Pughs konceptval ... 15

3.2 Mätredskap samt verktyg ... 17

3.2.1 Syntouch - BioTac ... 17 3.2.2 Lloyd LR5K ... 18 3.3 Materialegenskaper ... 19 3.3.1 Papper ... 19 3.3.2 Polylaktid, PLA ... 20 3.3.3 Stål ... 21 3.3.4 Aluminium ... 21

3.4 Parametrar som kan påverka tissue-papper ... 22

3.4.1 Relativ fuktighet ... 22 3.4.2 Fuktighet ... 22 3.4.3 Temperatur ... 22 3.5 Programvara ... 23 3.5.1 Solidworks ... 23 3.5.2 CES EduPack ... 23 3.5.3 Ultimaker Cura 3 ... 23 3.5.4 3D – Skrivare, Ultimaker 2+ ... 23 3.5.5 BioTac GUI ... 23 3.5.6 NEXYGEN ... 24 3.6 Statistik ... 24 3.6.1 Statistiska undersökningar ... 24 3.6.2 Normalfördelning ... 24

3.6.3 Lådagram ... 25

4 METOD ... 26

4.1 Introduktion av problemet ... 26

4.2 Litteraturstudie... 26

4.3 Dissektion av kraven för mätkonceptet ... 26

4.4 Framtagning av krav samt önskemål för prototyp ... 27

4.5 Viktning av kraven samt önskemål för prototypframtagning ... 27

4.6 Funktionsframtagning utifrån kraven samt önskemålen ... 27

4.7 Idéer för lösningsförslag till kravfunktionerna ... 27

4.8 Generering av prototyper ... 27 4.9 Pugh ... 28 4.10 Tillverkning av prototyp ... 28 4.11 Genomförande av mätkonceptförslag ... 28 4.11.1 Uppstart ... 28 4.11.2 Kalibrering ... 28 4.11.3 Start av mätning ... 29 4.11.4 Synkronisering ... 30 4.12 Analys av resultat ... 30 5 RESULTAT ... 32 5.1 Kravspecifikation för mätkoncept ... 32 5.2 Litteraturstudie... 32

5.3 Dissektion av kraven för mätkonceptet ... 32

5.4 Framtagning av krav samt önskemål för prototyp ... 33

5.5 Viktning av krav och önskemål för prototypframtagning ... 34

5.6 Funktionsframtagning utifrån kraven samt önskemålen ... 34

5.7 Idéer för lösningsförslag till kravfunktionerna ... 35

5.8 Prototypgenerering ... 39

5.9 Prototypförslag i en Pugh matris ... 40

5.10 Tillverkning prototyp ... 41

5.11 Resultat av analys ... 42

5.11.1 Grafer för respektive sensor inom varje testkategori ... 42

5.11.2 Resultat av uträckningar mellan start- och extremvärdet ... 42

5.11.3 Resultat för parametrar till lådagram ... 43

5.11.4 Lådagram ... 43 5.11.5 Konklusion ... 45 6 DISKUSSION ... 47 6.1 Värdering av resultat ... 47 6.2 Metodkritik ... 47 6.3 Fortsatt arbete ... 48 7 SLUTSATSER ... 49 8 REFERENSER ... 50 8.1 Litteraturlista ... 50

BILAGOR

A: Grafer för respektive sensor inom varje testkategori B: Lådagram utan stora avvikelser

C: Ritning prototyp

D: Temperatur och luftfuktighet E: Sammanställt lådagram

1

Inledning

1.1 Projektgrupp

Uppdragsgivaren i denna rapport är Christer Korin som tillhör en projektgrupp som, utöver Christer Korin, består av Tore Käck och Camilla Persson. De har investerat tid på tidigare arbeten där de har gjort experiment på kartongförpackningar. Mer specifikt har deras tidigare experiment bland annat handlat om hur greppförmågan på kartongförpackningar kan upplevas samt därefter hur det ska tolkas.

Tillsammans tillhör de en större forskningsgrupp, “Mechanics and material” [1] på Örebro universitet. Denna grupp har bedrivit forskning för att kunna tolka hur olika material beter sig mekaniskt. Detta görs genom ett tre-dimensionellt perspektiv baserat på egenskaperna samt variationerna i de material som undersöks. Det centrala i forskningsgruppen handlar om att utveckla metoder som effektiviserar processer och tillverkning som förbättrar produkternas egenskaper. Exempel på produkter och tillverkningsmetoder de har studerat är 3D-printning, trådformning, formning och konvertering av kartongförpackningar. [1]

1.2 Projektet

1.2.1 Typ av projekt

Detta är en förstudie där en framtagning av ett mätkonceptsförslag ska konstrueras. Detta förslag ska åstadkomma möjligheten till att mäta data på ett objektivt sätt på ett uppspänt tissue-papper med BioTac. Dessutom involverar projektet att en prototyp ska framställas som testobjekten ska placeras/ spännas upp på. Detta är riktlinjerna för projekt och det är utformat på detta sätt för att undersöka om detta tillvägagångsätt är kompatibelt med BioTac. BioTac är en haptisk sensor, utformat som ett mänskligt finger, som mäter data angående vibrationer, krafter och temperatur med hjälp av dess 19 avkänningselektroder (se Syntouch - BioTac; 3.2.1). Den haptiska sensorn BioTac kommer att vara fäst i tryck- och dragprovaren Lloyd LR5K (se Lloyd LR5K; 3.2.2). Tryck- och dragprovaren kommer möjliggöra en en-axial transportriktning med BioTac för att möjliggöra en mätprocedur på ett tissue-papper som är placerat/ uppspänt på en prototyp. BioTacs avkänningselektroder, som är systematiskt utplacerade, kan utföra detaljerade mätningar på testobjekten. En initierad mekanisk belastning med BioTac mot tissue-papperna kommer leda till att BioTacs

avkänningselektroder på ”fingret” först kommer att nudda och sedan ”omslutas” av tissue-pappret allt eftersom belastning adderas. Avkänningselektroderna möjliggör en detaljerade datainsamling på hur papper reagerar på den mekaniska belastningen samt hur tissue-papper ”omsluter” BioTac. BioTac kommer möjliggöra dokumentation av data angående tissue-papper som inte går att erhålla med exempelvis tryck- och dragprovaren Lloyd LR5K. Med Lloyd LR5K kan endast jämförelser mellan olika objekts materialegenskaper redovisa ett homogent resultat vid ”globala” belastningar, dock med BioTac möjliggörs en mer lokal samt detaljrik analys av objektens materialegenskaper. Anledningen till att BioTac prioriteras gentemot Lloyd LR5K beror på att det är en dedikerad mätanordning som är framtagen till att efterlikna ett människofinger samt efterlikna vad det känner. Det vill säga att det som skiljer BioTac mot Lloyd LR5K och andra mätmetoder är att det är möjligt att dokumentera hur belastningen på ”fingret” förändras. När belastningen på ”fingret” ökar eller minskar går det

att observera hur lastfördelningen förändras eftersom BioTac innehåller 19 stycken sensorer samt att pappret omsluter ”fingret” vilket resulterar i att alla sensorer redovisar någon typ av data. Data som erhålls från BioTac under mätproceduren angående testobjekten ska sedan kunna användas i framtida studier för att kunna skapa en objektiv tolkning angående mjukheten på tissue-papper.

Mjukhet är ett svårdefinierat begrepp och således finns det inte någon normativ metod samt enhet som definierar ett material angående dess mjukhet. Viktigt att klarlägga är att det inte är lenhet som detta handlar om vilket skulle innebära en slags uppskattad känsla av friktionen som existerar på ytan av ett material, exempelvis ytfinhet som Ra-värden. På grund av att mjukhet är ett svårdefinierat begrepp kommer följaktligen projektet grunda sig på att endast ta fram ett mätkonceptsförslag som erhåller data. Därefter i framtida projekt ska denna data kunna analyseras för att erhålla ett mjukhetsvärde på testobjekt.

En framdiskuterad metod att erhålla mjukhet är att analysera styvheten (E-modul) hos ett material och sedan invertera dess värde. Det vill säga att inversen på styvhet kan definieras som mjukhet, ett slags motsatsvärde till styvhet. På grund av förutsättningen som innebär att testobjekten i detta projekt ska spännas upp blir det inversen på styvheten som är av intresse. Hade inte denna förutsättningen existerat hade istället testobjektens mjukhet kunna härledas från inversen av hårdhet (exempelvis Vickers-, Brinell- eller Rockwellskala). Eftersom testobjekten då enbart hade kunnat placeras på ett plant underlag såsom det går till vid hårdhetsmätning. Sammanfattningsvis blir det således en slags definitionsfråga från vad man ska härleda mjukheten ifrån vilket kan skilja sig från varje enskilt fall beroende

förutsättningar. Dock i detta projekt är styvhet av störst intresse i förhållande till de andra mekaniska egenskaper som kan kopplas till mjukhet.

1.2.2 Frågeställning

Kan ett objektivt samt repeterbart mätkonceptförslag presenteras angående mjukhetsmätning på tissue-papper med BioTac?

1.2.3 Syfte

Syftet med denna studie är att den potentiellt kan bidra till att få en större uppfattning om tissue-papper och dess egenskaper. Erhålls mer information om detta kan det i sin tur leda till att produkterna får potential till att optimeras. Detta är viktigt eftersom det finns möjligheter till att anpassa produkterna mer efter konsumenternas nyttjande. Mätkonceptet ska skapa en grund samt kunna ge förutsättningar för att fastställa tissue-papprets mjukhet. Detta är ett område beträffande tissue-papper där mer kunskapa kan införskaffas. En ökad förståelse om detta kan göra det möjligt att skapa mer hållbara samt miljövänliga produkter som uppfyller krav och önskemål från konsumentsektorn. Det vill säga, om tissue-papper optimeras och får högre kvalité, utifrån dess funktion, kan slöseri minskas eftersom konsumenter kan utnyttja mer av papprets potential istället för att slänga outnyttjad kapacitet. Minskas produktsvinnet kan det leda till en minskad påfrestning på skogen.

1.2.4 Avgränsning Testobjekt:

Våra testobjekt kommer vara tissue-papper, eller mer specifikt, pappershanddukar och toalettpapper. En typ av toalettpapper kommer undersökas samt två stycken olika typer av pappershandukar. Studien förhåller sig till de tissue-papper som finns inom Örebro

universitetet. Därför kommer inga andra tissue-papper att användas som testobjekt. Dessa tre tissue-papper kommer fungera som tre separata testkategorier.

Prototypen som är eftefrågad ska ha ett mätområde med en cirkulär form för att skapa ett såpass symmetriskt område som möjligt. Dessutom för att förhindra potentiella hörn-spänningar som kan uppstå om prototypen har exempelvis en rektangulär form som kan påverka mätresultaten. Detta beror på att testobjektet ska ej erhålla okontrollerade spänningskoncentrationer som kan uppstå.

Mätutrustning:

Den centrala mätutrustningen som kommer användas är den fingerliknande haptiska sensorn som heter Syntouch BioTac. BioTac mäter data genom yttre fysisk påverkan och har

utvecklats av Syntouch, ett företag beläget i Los Angeles, Kalifornen, USA. BioTac kommer att monteras på en tryck- och dragprovaren vid namn Lloyd LR5K som har en kraftkapacitet på 5 kiloNewton. Denna tryck- och dragprovare är utvecklad av ett företag beläget i Sussex, England. Dessa ska integreras i mätkonceptet för att ge mätresultat angående testobjekten. En hygrometer kommer att logga data angående temperatur samt luftfuktighet i laboratoriet. Då mätprocedurerna genomförs kommer data från hygrometern alltid observeras samt dokumenteras för att senare kunna finnas tillgänglig när analysen av mätresultaten sker.

Placering:

Testobjekten som kommer genomgå en mätning kommer befinna sig vertikalt placerade mot BioTacs enaxlade transportbana. BioTac kommer följaktligen inte fokusera på att mäta friktion som skulle kunna uppstå om andra vinklar fanns mellan BioTac och testobjekten. Prototypen, som testobjekten kommer placeras på, kommer alltid placeras så att BioTacs mätaktivitet utförs på samma punkt. Det vill säga, denna punkt ska befinna sig på samma ställe inom prototypens möjliga mätområde. Eftersom BioTac är monterad i den en-axlade tryck- och dragprovare, Lloyd LR5K, kommer den endast ha möjlighet till förflyttning i en riktning, följaktligen måste testobjekten inta samma position för att uppnå ett så pass objektivt samt repeterbart resultat som möjligt.

Analys:

Mätresultaten från de tre testkategorierna kommer analyseras sinsemellan för att se om BioTac kan urskilja de tre olika typerna av tissue-papper från varandra. Dessutom kommer de olika testkategorierna jämföras individuellt för att se om repeterbarheten på konceptet

uppfylls. Exempelvis skulle ett blindtest kunna genomföras efter analysen för att se om mätkonceptet varit objektivt samt gett repeterbara resultat. Det ska finnas en möjlighet att avgöra vilken testkategorien som genomgått mätproceduren.

Anlysen kommer ej att bestämma eller undersöka relationen mellan testresultaten och mjukhet.

2

Bakgrund

2.1 Problemet

Produktsvinn är ett förekommande problem för de flesta produktkategorierna. Produktsvinn i allmänhet ställer en onödig påfrestning på samhället då det ej utnyttjas överhuvudtaget. Som alla andra produkter kan tissue-papper optimeras för att minska påfrestningen på dess

ursprung, den svenska skogen.

Denna rapport har bland annat utgått från den svenska skogens perspektiv samt att en

fungerande mätmetod med BioTac kan befrämja en mer hållbar framtid. För närvarande finns det ingen objektiv mätmetod med BioTac som mäter mjukhet på tissue-papper, som är känd för författarna. Därför gjordes detta projekt för att presentera ett mätmetodsförslag till hur BioTac kan användas för detta ändamål. Om det finns möjlighet för att skapa ett mätkoncept med BioTac kan detta medföra att fortsatta studier kan fortskrida angående tissue-papper. Detta kan i sin tur, potentiellt, bistå med sin del till att skapa en mer hållbar framtid framöver. 2.1.1 Miljöpåverkan - hållbar utveckling

Idag går världen mot ett mer hållbart förhållningsätt gentemot miljön, det sociala och det ekonomiska. En större respekt gentemot miljön har framförallt blivit en prioritet idag, tack vare olika organisationers initiativ samt många regleringar världen över.

I Sverige har skogsindustrin alltid stått för en stadig del (ca 50–75%) av Sveriges nettoexport. Dock, efter finanskrisen 2008 blev Sverige i synnerhet beroende av skogen för att väga upp nettoexportens underskott vilket ledde till att skogsindustrin till och med har uppgått till över 100 %. Detta kan förklaras genom att många andra industrier, efter finanskrisen, påverkade landets nettoexport negativt då de hade ett större importvärde gentemot exportvärde och skogsindustrin fick då följaktligen balansera upp detta. [2]

Skogen har således dragit en tung last för Sveriges ekonomi och kommer behöva beaktas för att kunna användas på motsvarande sätt i framtiden.

Skogen används till många olika ändamål där de antingen fungerar som råvaror eller förädlas till produkter. Kan tillverkningsprocesser bli effektivare och/ eller slutprodukter erhålla en högre kvalité utifrån dess ändamåls kriterier kan produktsvinn minskas och som konsekvent kan minska påfrestningen på skogen. Ökas exempelvis kvalitén på produkter inom tissue-papper minskas inte nödvändigtvis dess påfrestningen av skogen, dock kan det få

konsumenterna att minska sitt svinn då de utnyttjar mer av tissue-papprets kapacitet. Alla typer av högabsorberande papper inom hygienändamål som exempelvis toalettpapper, pappershanddukar och servetter etc. kommer att slängas i slutändan. Dock kan det bli onödigt produktsvinn om produkterna inte håller den kvalité och/ eller inte motsvarar konsumenternas förväntningar. Om produkterna inte utnyttjas till sin fulla kapacitet eller helt enkelt slängs i förtid på grund av bristande kvalité går det till spillo. Konsumenten förlorar då produkten som de har köpt och miljön har då exploaterats i onödan. Om materialegenskaperna kring tissue-papper framöver kan bidra till att produkter optimeras samt bättre motsvarar konsumenternas förväntan kring dess mjukhet, förmåga att absorbera fukt samt öka papprets styrka, finns det en stor möjlighet till att produktsvinn minskas. Tissue-papper kommer då att utnyttjas mer effektivt vilket leder till en minskad påfrestning på skogen.

2.2 Tidigare arbeten av uppdragivaren

Christer Korin, Tore Käck och Camilla Persson forskar på Örebro universitet och har inriktat sig på papper- och konverteringsteknik. De är en del av en större forskningsgrupp på

universitetet vid namn ”Mechanics and materials”. Forskningsgruppen Mechanics and materials har forskat bland annat om hur olika material beter sig mekanisk och har dessutom utvecklat metoder som effektiviserar processer för produkters egenskaper samt dess

tillverkning. Exempel på produkter och tillverkningsmetoder de har studerat är 3D-printning, trådformning, formning samt konvertering av kartongförpackningar. [1]

Christer, Tore och Camilla har mer specifikt inriktat sin forskning på kartongförpackningar. Detta har de gjort med hjälp av instrumenten BioTac och Lloyd LR5K som dessutom användes i detta examensarbete.

Christer Korin har gjort en doktorsavhandling vid namn “Mechanical Behaviour of Adhesive Joints in Cartonboard for Packaging”. Den handlar om karakterisering av limfogar samt möjligheten att försöka förutse dess egenskaper. Detta gjordes objektivt och repeterbart med en Y-peel studie. [26]

2.3 Tidigare utfört arbete av andra

Vid projektstart har författarna ingen information på att BioTac har använts tidigare för att mäta mjukhet på tissue-papper. Därför undersöktes andra studier som har en koppling till BioTac samt listas nedan.

I examensarbetet “Development of experimental setup for BioTac sensor” från våren 2016 genomfördes ett arbete där en testrigg skapas som ska fungera som ett instrument tillsammans med BioTac. Detta instrument kombinerat med BioTac skulle ge objektiva samt repeterbara mättestresultat på kartongförpackningars greppstyvhet. Dock blev testriggen inte

tillfredställande utifrån att möjliggöra dessa objektiva samt repeterbara resultat. [3]

“Grip stiffness analysis of carton board packages” från våren 2017 är ett examensarbete som

utför en studie angående kartongförpackningars greppstyvhet och dess robusthet vid klämtryck. BioTac var en central del i arbetet och användes för att objektivt mäta greppstyvheten hos olika förpackningsmaterial som ett imiterade finger. [4]

I examensarbtetet “Evaluating carton board crease geometries regarding grip stiffness using

Syntouch Biotac” som gjordes under våren 2018, har kartongförpackningar tillverkats och

testats av BioTac. Denna studie använder BioTac som tryckprovare och “big-mätningar” för att undersöka greppstyvhet av kartongförpackningar. [5]

I examensarbetet “Evaluating the measured grip stiffness of different carton board material

properties and geometries” från våren 2018, genomförs en studie angående en objektiv

mätmetod för kartongförpackningars greppstyvhet. Dessa förpackningar har olika geometrier samt olika materialegenskaper och använder BioTac tillsammans med en tryckprovare för att erhålla sina mätresultat. I denna avhandling framkom ändamålsenliga resultat då den

maskinbaserade metoden hade möjlighet att urskilja skillnader i geometrier och dess materialegenskaper. [6]

2.4 Beskrivning av teknikområdet

Detta projekt berör många olika teknikområden, där ett av dem är produktutveckling då konceptframtagning tillhör studien. För att kunna strukturera upp och planera projektet

användes ett Gantt-schema vilket förvärvades som en uppläggningsidé från ingenjörsmetodik. En grundläggande förståelse inom mekanik och hållfasthetslära behövs för att kunna förstå och tolka de krafter samt data som kommer uppstå efter att BioTac har utfört sin operation på testobjekten. Gällande materialval till den tilltänkta prototypen, samt tissue-papprets

egenskaper, är det viktigt att ha en förståelse för materiallära och hur materialen kan bete sig. Solidmodellering (CAD) behövs för att möjliggöra en modellering av en prototyp. Vid framtagning av en prototyp kan kunskap inom tillverkningsteknik ge en uppfattning till hur man tillverkar den. Dessutom behövs en viss matematisk kunskap för att kunna tolka samt analysera testresultaten.

3

Teori

Denna teoridel inleds med stycke 3.1 som förklarar diverse teorier angående prototypframtagning. Därefter i stycke 3.2 förklaras de mätredskap samt verktyg som kommer att användas i studien mer djupgående. Materialegenskaper för det utvalda materialet som ingår i studien förklaras i stycke 3.3. I stycke 3.4 framkommer de programvaror som kommer att ingå i studien. Och slutligen i stycke 3.5 förklaras de statistiska teorierna.

3.1 Teorier för prototypframtagning

3.1.1 Mindmap

Mindmap är ett verktyg som kan användas för att visualisera det som befinner sig i fokus. Detta kan exempelvis vara ett problem, en eller flera lösningar, koncept m.m. Det kan

egentligen vara vad som helst. Mindmap används för att sätta det som står i fokus centralt och för att sedan rita ut exempelvis bubblor som kan grenas ut i oändligheten. Det kan underlätta att strukturera upp till exempel ett problem på detta visualiserande sätt då man söker efter lösningar. [7]

3.1.2 Brainstorming

Brainstorming är en så kallad kreativ metod som har blivit en synonym till idékläckande i allmänhet. Detta är dock en välbeprövad samt strikt beskrivande metod. Metoden utförs av en grupp som ska åstadkomma så många idéer som möjligt utan att bedöma resultatet av varje förslag. I denna metod går idékvantiteten före idékvaliteten vilket ska leda till att deltagarna i gruppen ska uppmuntra varandra till att utveckla nya idéer. [8]

3.1.3 Viktbestämningsmatris

Vid framtagning av exempelvis lösningar till ett problem eller krav/ önskemål för

framställning av en produkt, kan en viktbestämningsmatris nyttjas. Denna matris hjälper till att skapa ett såpass objektiv perspektiv som möjligt då det annars finns en risk att vara för subjektiv. Krav/ önskemålen ställs mot varandra och erhåller en del av summan 1. Får ett krav/ önskemål hela delen, det vill säga 1.0, kan detta ses som att kravet/ önskemålet är utan tvivel helt fördelaktigt gentemot det andra kravet/ önskemålet. Om detta ej är fallet delas siffran 1 upp i olika stora delar beroende på vilket krav/ önskemål som tros vara det mest lämpliga. [8]

Tabell 1. Exempel på viktbestämningsmatris. Kraven/ önskemålen struktureras upp i både den övre raden samt kolumnen till vänster. Därefter genomförs en parvis jämförelse av samtliga krav/ önskemål mot varandra. [8] Kriterium Krav A/ Önskemål A Krav B/ Önskemål B Krav C/

Önskemål C Summa Summa/Total Krav A/ Önskemål A - 0.5 0 0.5 0.16 Krav B/ Önskemål B 0.5 - 0 0.5 0.16 Krav C/ Önskemål C 1 1 - 2 0.66 3.1.4 Morfologisk matris

Morfologisk matris är en kombinationsmetod som ska kombinera alternativa lösningar till en totallösning. De framtagna dellösningsalternativen som har genererats fram till att uppfylla de olika kravfunktionerna ska kombineras till totallösningsalternativ som ska lösa

huvudproblemet, detta genomförs i en morfologisk matris. [8]

Vid utveckling av exempelvis en prototyp som har en totalfunktion som ska uppfylla ett visst krav har ett antal dellösningsalternativ genererats till delfunktionerna. Dessa

dellösningsalternativ har först genomgått en individuell viktning inom dess delfunktion för att se vilken vikt respektive dellösning erhåller. Därefter struktureras en morfologisk matris upp med delfunktionerna i första kolumnen följt av dess dellösningar på respektive rad, exempel på en morfologisk matris kan ses i tabell 2. De högst viktade delfunktionerna kombineras sedan för att få fram den bästa totallösningen. [8]

Tabell 2. Exempel på morfologisk matris. [8]

Delfunktion Dellösningsalternativ

Funktion 1 Lösning 1 Lösning 2 Lösning 3

Funktion 2 Lösning 1 Lösning 2

Funktion 3 Lösning 1 Lösning 2 Lösning 3

3.1.5 Pughs konceptval

Pughs matris eller Pugh-metoden är en metod som möjliggör en reducering av ett flertal koncept eller lösningar som ska lösa ett problem. Detta tillämpas genom att ställa koncepten/ lösningarna mot olika krav som måste uppfyllas, dessutom finns ofta önskemål som används för att slutligen erhålla det mest objektiva koncept/ lösning. Hela poängen med

Pughs-metoden är att den genomförs på ett såpass objektivt och systematiskt sätt som möjligt för att välja ett alternativ utan att vara subjektiv. [8]

Pughmatrisen är konstruerad på följande sätt som kan ses i tabell 3:

Tabell 3. Exempel på en Pugh-matris. [8]

Alternativ

Referens Koncept A Koncept B Koncept C

Krav A + + - Krav B + 0 - Önskemål A (vikt) + - + Summa + 3 2 1 Summa 0 0 1 0 Summa - 0 1 2 Nettovärde 3 1 -1 Rangordning 1 2 3 Vidareutveckling

(Ja eller Nej) Ja Nej Nej

I kolumnen till vänster i tabell 3 skrivs de krav som bör uppfyllas samt önskemål och dess viktning. Dessa vikter är framtagna med hjälp av en viktbestämningsmatris (se

viktbestämningsmatris; 3.1.3). Alternativa koncept eller lösningar listas i den första raden

under rubriken “Alternativ”. [8]

Referensalternativet är det som koncepten/ lösningarna kommer att jämföras mot.

Referensalternativet bör vara lösningen eller koncept som förstås lättast. Det kan dessutom vara en lösning som andra redan använder. [8]

Varje lösning eller koncept jämförs mot referensen genom granskning av de krav som är satta. Skulle den alternativa lösningen uppfylla kravet: bättre än referensen ges (+), lika bra som referens ges (0) och sämre än referensen ges (-). Där efter multipliceras varje (+), (0) eller (-) med vikten av de specifika kravet/ önskemål som sedan summeras i slutet. [8]

3.2 Mätredskap samt verktyg

3.2.1 Syntouch - BioTac

BioTac är en fingertoppsliknande taktil sensor som kan mäta diverse information som uppstår genom fysisk påverkan med omgivningen. Sensorn är utvecklad av forskare från University of Southern

California, i Los Angeles, Kalifornien, USA. BioTac

innehåller 19 stycken avkänningselektroder (sensing electrodes) som är kapabla till att känna de krafter, vibrationer samt temperaturer som ett människlig finger kan uppfatta. Dessa avkänningselektroder mäter den elektriska konduktiviteten med hjälp av en fluid som befinner sig mellan

avkänningselektroderna och det biometriska skinnet, se figur 2. BioTac sänder ut en puls i fluiden med en spänning som mäts upp av elektroderna. Erhåller BioTac exempelvis en yttre påverkande kraft formeras det biometriska skinnet som skapar en förflyttning av fluiden. Denna förändring mäts upp av elektroderna då dess

närliggande fluid förflyttas, vilket gör att elektroden erhåller en ändrad konduktivitet. Blir det en mindre mängd fluid runt en elektrod mäter elektroden en lägre konduktivitet, samma princip inträffar när en ökad mängd fluid runt en elektrod ökar den konduktiviteten som elektroden uppmäter. Om en eller flera elektroder uppmäter en mindre konduktivitet, på grund av en yttre påverkande kraft, måste en eller flera elektroder mäta en symmetriskt ökande konduktivitet. Exempelvis om en yttre kraft trycker på en sida på BioTac så förflyttas fluiden från den påverkade sidan (den minskar där) och sprider sig till andra delar av BioTac. [9, 10] För att förbättra känsligheten av BioTac tas biometriska funktioner till hänsyn, detta genom att låta BioTac ha ett fingeravtryck, en konstgjord plastnagel på ovansidan av sensorn samt en jämn värmegeneration till fingret. I figur 1 visas en närbild av BioTac där man kan se dess konstgjorda plastnagel på ovansidan. [9, 10]

De övriga komponenterna kan ses i tvärsnitts bilden i figur 2. Denna figur visar hur BioTac är uppbyggd.

Figur 2. Schematisk bild på BioTac. [10]

I tabell 4 syns BioTacs specifikation, där finns all information om vad, samt hur mycket, BioTac tål i mån om fysiska egenskaper. Dessa struktureras upp i olika kategorier, kraft, fluid tryck, mikrovibrationer, temperatur samt värmeflöde. [10]

Figur 1. En närbild på BioTac. Egentagen bild.

Tabell 4. Datablad för BioTac. [10]

Sensorkategori Spektrum Precision Frekvensrespons

Kraft 0–50 N 10 mN 0–100 Hz Fluidtryck 0–100 kPa 37 Pa 0–1040 Hz Mikrovibration ± 760 Pa 0.4 Pa 10–1040 Hz Temperatur 0–75 °C 0.1 °C 0–22.6 Hz Värmeflöde ± 1 °C/s 0.001 °C/s 0.45-22.6 Hz 3.2.2 Lloyd LR5K

Lloyd LR5K är en tryck- och dragprovare. Den är uppbyggd av en balk som kan hissas upp och ner mellan två stycken kolonner. I denna balk kan sedan olika instrument installeras beroende på om man vill utföra dragprover, kompressionstester eller flextester. Dragprovaren har en maximal kraftkapacitet på 5 kN och är kompatibel med mjukvaruprogrammet

NEXYGENPlus som samlar information om dess aktiviteter. Lloyd kan användas tillsammans med BioTac för att utföra bland annat en-axliga trycktester. [11]

En bild på Lloyd kan se ned i figur 3.

3.3 Materialegenskaper

3.3.1 Papper

Papper är tunt, det är så tunt att det nästan kan ses som ett två-dimensionellt material. Exempelvis är vanligt kontorsskrivpapper endast 0,1 millimeter tjockt och har en ytvikt på cirka 80 gram per kvadratmeter. När vikten sedan börjar gå mot 300 gram per kvadratmeter övergår pappret till kartongmaterial. [5]

När papprets dimensionsriktning beskrivs brukar informationen utgå från hur pappret är tillverkat. Maskinriktningen kallas för MD (machine direction), dess sidoriktning kalas för CD (cross machine direction) samt papprets tjocklek kallas för ZD (z-direction). Detta kan ses i figur 4. En sak som är noterbart med papper är dess anisotropi. Till skillnad mot exempelvis stål som har liknande materialegenskaper i alla riktningar, det vill säga isotropiskt, är papper anisotropsikt. Papper upplever följaktligen ej samma konsekvenser i dess riktningar om man utsätter det för en yttre påverkan. Papper kan exempelvis motstå mycket större yttre påverkan i dess maskinriktning (MD) än dess tjockleksriktning (ZD). Notera att denna skillnad kan uppgå till över 300 gånger, det vill säga att maskinriktningen (MD) har en betydligt större elasticitetsmodul än i tjockleksriktningen (ZD). Även sidoriktningen (CD) har mer än 100 gånger större elasticitetsmodul än tjockleksriktningen (ZD). [13] [26]

Figur 4. Beskrivning av papprets koordinatsystem.

Tissue-papper är till skillnad från vanligt kontorspapper mjukare och har inte samma styrka. Det brukar ha en ytvikt på cirka 12–50 gram per kvadratmeter och brukar vanligtvis stärkas upp genom att ha fler än ett skikt (lager på lager). Fördelen med fler skikt är att det finns möjligheter att mixa egenskaperna lite. Exempelvis kan ett av lagren vara gjort med korta fibrer för att ge en mjuk känsla, samtidigt som ett annat lager kan vara gjort med långa fibrer för att ge tissue-pappret styrka. [14]

Mer egenskaper angångne tissue-papper kan ses i tabell 5.

Tabell 5. Beskrivning av tissue-pappers egenskaper. [12]

Egenskaper Undregräns Övregräns Enhet

Densitet 200 350 kg/m3 Elasticitetsmodulen 0.1 0.5 GPa Sträckgräns 1 2 MPa Brottgräns 1 2 MPa Töjning 3 54 % 3.3.2 Polylaktid, PLA

Polyalktid, PLA, är en biologisk termoplast som framställs främst från organiska och

förnyelsebara källor som exempelvis majsstärkelse och rörsocker. Termoplasters egenskaper är att materialet mjuknar vi uppvärmning vilket gör det lätt att bearbeta samt att vid en högre temperatur kan materialet återanvändas genom nedsmältning. Arbetstemperatur för PLA termoplast är vid cirka 140 - 170°C vilket gör att detta material är tillämpbart i additiv tillverkning. Några områden PLA plast används till inom 3D-printing är att skapa tillverkningshjälpmedel, gjutningar och gjutformar för metall- eller keramikdelar samt konceptmodeller. [8, 15]

Polylaktids materialegenskaper kan ses i tabell 6.

Tabell 6. Materialegenskaper för PLA. [12]

Egenskaper Undregräns Övregräns Enhet

Densitet 1.24 x 103 _{1.27 x 10}3 _kg/m3

Elasticitetsmodulen 3.3 3.6 GPa

Sträckgräns 55 72 MPa

Brottgräns 47 70 MPa

3.3.3 Stål

Stål är ett av de vanligaste materialvalen när det kommer till konstruktionsmaterial.

Anledningen till detta är på grund av dess goda mekaniska egenskaper samt formbarhet. [8] Materialegenskaper om stål kan ses i tabell 7.

Tabell 7. Materialegenskaper för stål. [12]

Egenskaper Undregräns Övregräns Enhet

Densitet 7750 8050 kg/m3 Elasticitetsmodulen 200 221 GPa Sträckgräns 205 275 MPa Brottgräns 350 510 MPa Töjning 23 24 % 3.3.4 Aluminium

Aluminium kännetecknas av många olika egenskaper. Två av dessa är att materialet har en låg densitet samt en god formbarhet [8]. Aluminiums materialegenskaper kan ses i tabell 8.

Tabell 8. Materialegenskaper för aluminium. [12]

Egenskaper Undregräns Övregräns Enhet

Densitet 2.67 x 103 _{2.73 x 10}3 _kg/m3

Elasticitetsmodulen 70 74 GPa

Sträckgräns 115 134 MPa

Brottgräns 190 222 MPa

3.4 Parametrar som kan påverka tissue-papper

3.4.1 Relativ fuktighet

En parameter som kan påverka tissue-papper är den relativa fuktigheten som kan uppmätas i luften. Denna parameter mäts upp genom att skapa en ekvation där vattenångans partialtryck divideras med vattenångans mättningstryck (lufttemperaturen som finns i atmosfären). [16] Denna kvot ses i ekvation (1):

𝑝

𝑝

= Φ

Där pw är vattenångans partialtryck, ps är vattenångans mättningstryck och Φ är den relativa luftfuktigheten.

3.4.2 Fuktighet

Egenskaper hos papper förändras beroende på vilken fuktighet det befinner sig i. En

konsekvens av en sådan effekt är att mjukheten förändras. Observeras stress – strain kurvorna i figur 5 är det noterbart att E-modulen och stresståligheten hos pappret är lägre vid en högre luftfuktighet som kan observeras i den högra grafen. På samma sätt försämras papprets

sträckförmåga. Däremot om fukthalten befinner sig under 5 % är E-modulen relativt konstant. [13]

3.4.3 Temperatur

En ytterligare parameter som har en påverkan på papprets egenskaper är temperaturen. Den egenskapen som främst förändras beroende på papprets temperatur är elasticitetsmodulen. [17]

Figur 5. Pappers påverkan beroende på luftfuktighet. Där (MD) är machine direction av papper och (CD) är cross-machine direction. [13]

3.5 Programvara

3.5.1 Solidworks

Solidworks är ett företag som erbjuder kompletta 3D-programverktyg som låter användaren skapa, simulera och hantera data. Specifikt är Solidworks ett 3D-CAD-program som

möjliggör att två- samt tredimensionella parter kan skapas. Genom att modellera i Solidworks möjliggörs det att parter kan sparas i ett flertal olika filformat vilket kan leda till att parten kan vara kompatibel med andra mjukvaror för vidareutveckling. [18]

3.5.2 CES EduPack

CES EduPack är en omfattande materialcentrerad databas som lagrar data angående; materialegenskaper, processinformation samt stödjande av kunskapsresurser som

föreläsningar och övningar. CES EduPack är uppdelad i tre nivåer, första nivån tillhandahåller grundläggande information inom föregående områden. Därefter, i nivå två och tre, utökas informationen upp till en mer avancerad nivå. Med EduPack kan filtrering göras inom valfritt område för att få fram ett önskade resultat. Exempelvis kan en filtrering göras på vilket material som har den högsta elasticitetsmodulen eller vilka material som kan genomgå en svetsning. Denna filtrering kan dels vara grundläggande eller väldigt djupgående för att få ett mindre antal urval av material att välja bland. [19]

3.5.3 Ultimaker Cura 3

Ultimaker Cura är ett mjukvaruprogram för additiv tillverkning. Detta program möjliggör att en 3D figur som är skapad i ett CAD-program kan tillverkas ur en 3D-printer. Först

modelleras den önskade prototypen i ett valfritt CAD program som stödjer Cura software, sedan sparas parten i ett STL format. Denna fil importeras sedan i Ultimaker Cura software som tillåter ytterligare inställningar innan tillverkningen kan påbörjas. Cura filen importeras sedan till en Ultimaker printer för att starta tillverkningen. [20]

3.5.4 3D – Skrivare, Ultimaker 2+

Ultimaker 2+ är en 3D skrivare från företaget Ultimaker. För att skriva ut en önskad part måste först en CAD-modellering göras på ett CAD-program som stödjer Ultimaker 2+.

Därefter importeras CAD-filen till Cura software för vidare information som sedan kan skicka filen till Ultimaker 2+.

Skrivaren har en tillverkningskapacitet på 223 x 223 x 305 mm i en hastighet upp till 24 mm3_{/s. Ultimaker 2+ har dessutom en skiktupplösningskapacitet mellan 20 till 600} mikrometer vilket gör att den kan skriva ut delar snabbt och högupplöst. Skrivaren är kompatibelt med 7 olika material, några av dem är PLA, ABS samt CPE plaster. [21]

3.5.5 BioTac GUI

BioTac GUI är ett grafiskt användargränssnitt (Graphical User Interface) för mätinstrumentet BioTac. Detta program är det snabbaste sättet att visualisera och spela in data från BioTacs 19 elektrodsensorer. Programmet är kompatibelt till att analysera mellan 1 och 3

BioTac-instrument samtidigt. I användargränssnittet kan tryck- och vibrationsgrafer (lila färg), temperatur- och värmeöverföringsgrafer (röd färg) samt impedansen (blå färg) observeras, se figur 6. Varje graf har en individuell skala för dess funktion. Notera att impedansen är

inversen till den elektriska konduktiviteten. [22]

Figur 6. En skärmdump av programvaran BioTac GUI.

3.5.6 NEXYGEN

NEXYGEN är en programvara som är kompatibelt med Lloyd LR5K. Programmet är lite av navet i hjulet med många av Lloyds testutrustrustning och det stämmer även in på Lloyd LR5K. Detta program är flexibelt och dessutom även kompatibelt med Microsoft Excel vilket möjliggör att data från NEXYGEN kan integreras direkt i exempelvis grafer och tabeller i Excel. [23]

3.6 Statistik

3.6.1 Statistiska undersökningar

Statistiska undersökningar består vanligen av fyra delar: planering, datainsamling, bearbetning och presentation. Inom planering bör all slags förberedelse av undersökning framkomma. Datainsamling är den del man samlar in den sökta data från exempelvis ett mätinstrument. Bearbetning innebär att ett arbete med den insamlade data genomförs i form av tabeller eller diagram. Slutligen är en presentation där man redovisar resultaten i form av grafisk framställning eller sammanfattning av resultat. [24]

3.6.2 Normalfördelning

För att kunna beskriva variationer hos olika kontinuerliga företeelser är normalfördelning en användbar teori. En normalfördelad variabel bör ofta anta värden som är nära medelvärdet och sällan till mycket sällan värden som har en stor avvikelse. Normalfördelningskurvan påminner därför om en kulle som är symmetrisk runt ett väntevärde (medelvärde), denna kurva kan också kallas för en klockkurva, exempel på en sådan fördelning kan ses i figur 7. [24]

Figur 7. Ett exempel på normalfördelning. [24]

En normalfördelning brukar oftast betecknas med N (μ, σ) där μ är väntevärdet eller medelvärdet hos ett antal utfall och σ är standardavvikelsen för fördelningen.

Standardavvikelsen varier beroende på hur de olika resultaten är samlade. Är resultaten likartade leder det till en låg standardavvikelse och om resultaten har en stor spridning ger det en större standardavvikelse. [24]

3.6.3 Lådagram

Ett lådagram är ett tillvägagångssätt för att tydliggöra exempelvis mätvärden på experiment. Det heter lådagram eftersom en ”låda” beräknas fram med hjälp av kvartiler baserat på en viss datamängd. Lådan används för att kunna urskilja var den större delen av datan befinner sig utifrån en bestämd mängd data. Kvartilerna fungerar som fjärdedelar som ska hjälpa till att eliminera eventuella avvikelser. Dessa kvartiler kallas för nedre- och övrekvartilen som motsvarar 0% - 25% respektive 75% - 100% av är datan. Kvartilernas data är det som hamnar utanför lådan. Max- och minvärde samt medianen behövs för att möjliggöra uträckningen och placeringen av lådagramet på datans tallinje. [24]

Sammanfattningsvis innehåller ett lådagram följaktligen medianen, undre kvartilen/ första kvartilen, övre kvartilen/ tredje kvartilen, max- och minvärde.

4

Metod

4.1 Introduktion av problemet

Projektet startade med att handledaren, Christer Korin, förklarade hur viktig Sveriges skog är för Sveriges nettoexport. Sverige är nämligen världens näst största exportör efter Kanada när det kommer till trämassa, papper och sågade trävaror. För en mer hållbar framtid behöver innovationer uppstå inom tillverkningsprocesser och även angående slutprodukters design samt dess funktion. Detta gäller alla typer av produkter som har sitt ursprung från den svenska skogen (detta gäller även globalt) och därför är det viktigt med att möjliggöra optimeringar, små som stora. [25]

Christer Korin förklarade att tissue-papper är en produkt som har potential för

optimeringsmöjligheter. Dessa produkter kommer att kastas efter förbrukning, dock händer det att produkterna ej förbrukas överhuvudtaget innan de kastas på grund av att de är defekta, går sönder eller inte når upp till konsumenternas krav. För att optimera dessa produkters design behöver studier verkställas för att förvärva kunskap som kan vara nödvändig.

Ett problem som finns är att det i nuläget inte finns någon riktig norm om hur mjukhet mäts på tissue-papper. Christer Korin önskade därför att författarna skapar ett förslag på ett

mjukhetsmätningskoncept med BioTac som kan möjliggöra att framtida studier definierar det. 4.2 Litteraturstudie

En förstudie inleddes och motivet till detta var att skapa en förberedande grund som gjorde det möjligt att förstå problemet bättre eftersom meriterande kompetens saknades. Detta gjordes genom att utföra sökningar på databaser beträffande nyckelord samt fraser och dessutom tidigare avslutade studier med överensstämmande segment till detta projekt. När en term och/ eller en fras valts, genomfördes en sökning i databaserna. Först granskades

rubrikerna generöst för att sortera bort artiklar som uppenbart inte innehöll uppgifter som kunde utnyttjas i projektet. Därefter lästes de kvarvarande artiklarnas sammanfattning (abstract) igenom för att få en snabb överblick angående artikelns huvudsakliga innehåll. Ansåg författarna att sammanfattningen gav en intuition om att artikeln innehöll information av väsentlig vikt som kunde ge stöd för rapportskrivningen lästes den igenom. Det i artikeln som sedan visade sig vara förmånligt valdes sedan ut för fortsatt granskning om det fanns mer information eller andra liknande uppgifter som kunde ge stöd till rapportskrivningen.

4.3 Dissektion av kraven för mätkonceptet

I avsnitt 4.1 framhölls kraven objektivitet samt repeterbarhet av Korin angående

mätkonceptsförslaget. För att skapa fler infallsvinklar på vad dessa krav betydde i förhållande till denna specifika mätkonceptsframtagning dissekerades orden. Dessa ord bröts ner i varsin mindmap för att kunna identifiera olika aspekter som kunde hjälpa till att skapa kriterier för en mätkonceptsframtagning (se Mindmap; 3.1.1). Även principen brainstorming tillämpades i samband med mindmap för att skapa olika infallsvinklar på vad objektivitet och repeterbarhet kunde vara enligt författarna (se Brainstorming; 3.1.2).

4.4 Framtagning av krav samt önskemål för prototyp

Från avsnitt 4.2 (Litteraturstudie) insågs det att om ett mätkonceptsförslag ska presenteras behövs en prototyp konstrueras då en mätanordning ej existerade. Denna prototyp fick utformas på de kraven och önskemålen som uppkom i samband med aktiviteten mindmap samt brainstorming från avsnitt 4.3. En del av kraven som uppkom i denna aktivitet fördelades dock till krav för prototyp, eller krav för hela konceptet. Dessa krav som enbart styrkte konceptet hade ingen direkt inverkan på hur prototypen skulle bli designad. De krav och önskemål som istället blev utvalda för att tillämpas i prototypframtagningen togs med för ytterligare utveckling.

4.5 Viktning av kraven samt önskemål för prototypframtagning

De krav och önskemål som genererades fram från mindmap- samt brainstormingen-sessionen och som fördelades till att skapa en prototypframställning blev därefter värderade gentemot varandra i en viktbestämningsmatris (se viktbestämningsmatris; 3.1.3). Kraven och

önskemålen värderades mot varandra dock erhöll kraven alltid max antal poäng då det är ett krav som måste uppfyllas. Författarna värderade kraven och önskemålen först individuellt för att sedan sammanställa ett genomsnittligt resultat.

4.6 Funktionsframtagning utifrån kraven samt önskemålen

Efter att alla krav och önskemål värderats och erhållit sina respektive vikter utformades funktioner. Funktionerna skapades för att fungera som en frågeställning till respektive krav och hjälpte därför till att problematisera kraven för att enklare kunna framställa idéer på lösningar.

4.7 Idéer för lösningsförslag till kravfunktionerna

När funktionerna var färdigställda genomfördes en brainstorming för att ta fram eventuella idéer för lösningsförslag till respektive kravfunktion. Detta genomfördes för varje krav enskilt.

För att enklare få en överblick på förslagen skrev författarna upp det i ett mindmap-format. Detta följdes av en diskussion om vilka idéer som faktiskt kunde förverkligas. En del av dessa idéer gallrades bort då de inte skulle fungera. De kvarvarande idéerna reviderades till

lösningsförslag. En viktbestämningsmatris användes därefter för att vikta lösningsförslagen för respektive kravfunktion gentemot varandra. Detta gjordes för att rangordna de olika lösningsförslagen.

4.8 Generering av prototyper

När alla lösningsförslag rangordnats genererades prototypförslag. Detta gjordes genom att använda en morfologisk matris som iscensatte alla möjliga kombinationer av de

lösningsförslag som tagits fram (se Morfologisk matris; 3.1.4). I den morfologiska matrisen multiplicerades lösningsförslagensvikt (metod 4.7 med respektive resultat 5.7) med vikterna från kraven (metod 4.5 med respektive resultat 5.5). Denna summa adderades därefter med de andra lösningar i den tillhörande kombinationslösningen. Det gav möjligheten att urskilja hur mycket poäng varje kombinationslösning fick. Detta gjordes för alla de

kombinationslösningar som uppkom i den morfologiska matrisen. De 5 stycken kombinationer som erhöll högst totalpoäng valdes ut för en ny kvalificering.

4.9 Pugh

Pugh-matris var nästa efterföljande aktivitet som skulle genomföras (se Pughs konceptval; 3.1.5). De 5 kombinationer som hade högst poäng från den morfologiska matrisen skulle reduceras till en kombination. Därför användes en Pugh-matris. I denna matris ställdes den kombinationen som fått högst poäng från avsnitt 4.8 mot de resterande 4 kombinationerna och kom att förknippas som en referens som de andra kunde förhålla sig till. Genom att använda önskemålen som skapats i avsnitt 4.5 diskuterades det hur de andra kombinationerna stod sig gentemot referensen i Pugh-matrisen. Uppfattades en kombination som bättre, sämre eller lika i jämförelse mot referensen, angående ett specifikt önskemål, erhöll således kombinationen en poäng därefter. Därefter summerades alla kombinationers resultat.

Den kombination som korades som vinnare var den som valdes till att vidareutvecklas. Vinnaren bestod sammanfattningsvis av en kombination av olika lösningsförslag till kravfunktionerna som framtagits för att skapa en prototyp.

4.10 Tillverkning av prototyp

När prototypsförslaget framtagits i avsnitt 4.9 påbörjades tillverkningen med att skapa en solidmodell av prototypen i Solidworks (se Solidworks, 3.5.1). Denna solidmodell blev underlag för hur den prototyp som valts att vidareutveckla skulle se ut. Därefter konstruerades prototypen med hjälp solidmodellen som utgångspunkt.

4.11 Genomförande av mätkonceptförslag

4.11.1 Uppstart

Mätkonceptet inleddes med att starta instrument som dator, Lloyd LR5K och BioTac. Även mjukvaran LR5K-controller, NEXYGEN och BioTac GUI startades upp och synkroniserades.

4.11.2 Kalibrering

Inför absolut första testet kalibrerades en referenspunkt med hjälp av Lloyd LR5K för att ha ett startläge/ nolläge. Var den exakt referenspunkt befann sig var inte särskilt viktigt, så länge BioTac inte vidrörde något. Dock valdes det att använda Lloyd LR5K till att placera BioTac tätt intill ett testobjekt utan att vidröra det, se figur 8. Detta gjordes för att minimera den dokumenterade tiden som mätproceduren varade.

Figur 8. Kalibrering inför testerna. Egentagen bild. 4.11.3 Start av mätning

Mätproceduren började med att ett testobjekt placerades på prototypen. Denna placering var konsekvent, baserat på testobjektets maskinriktning, MD (se Papper; 3.3.1). Sedan placerades prototypen under mätinstrumentet BioTac som ska kunna utföra sin aktivitet. Denna aktivitet programmerades in i ett script på programmet NEXYGEN (se NEXYGEN;3.5.6) som är kopplad till att styra Lloyd LR5K. Samtidigt som aktiviteten utfördes startades en dokumentering av datainsamling vilket gjordes för respektive mätprocedur. Detta

genomfördes på BioTac med hjälp av BioTac GUI (se BioTac GUI; 3.5.5) samt på Lloyd LR5K med hjälp av NEXYGEN.

Temperatur och luftfuktigheten uppmärksammades samt noterades före respektive

mätprocedur. Detta gjordes för att eventuellt ha en förklaring om testresultat skulle erhålla avvikelser. Se stycke 3.4 (Parametrar som kan påverka tissue-papper; 3.4) för vidare förklaring på hur papprets egenskaper kan förändras beroende på dessa parametrar samt stycke 3.3.1 som handlar om just papprets egenskaper (Papper; 3.3.1).

En omstart av BioTac samt dess program BioTac GUI gjordes efter fem mätprocedurer. Detta gjordes för att BioTac skulle ha ett liknande utgångsläge inför varje mätprocedur för att erhålla så objektiva resultat som möjligt samt att förhindra att programfel kunde uppstå. BioTac hade en tendens av att ange missvisande resultat efter mer än 10 tester. Anledningen till att det inte gjordes efter varenda mätprocedur var för att spara tid samt att det inte var nödvändigt.

4.11.4 Synkronisering

Efter respektive mätprocedur av samtliga testobjekt behövdes en synkronisering göras av datainsamlingen från BioTac GUI samt NEXYGEN. Datan bestod av kraft, tid samt längden som tryck- och dragprovaren Lloyds LR5K förflyttade sig under mätprocesserna. Denna data synkroniserades ihop tillsammans med konduktivitetsdata som dokumenterades av samtliga sensorer från BioTac under samma mätprocesser. Detta gjordes med hjälp av ett egenutvecklat synkroniseringsprogram av Örebro Universitet som användes för att synkronisera

tidsdifferensen som uppkommit från de två datainsamlingarna BioTac GUI samt NEXYGEN. Efter att samtliga resultat har blivit synkroniserade konverterades datan till textfiler i form av låg- samt högfrekvens data. Dock användes endast den lågfrekventa datan i denna studie då det gav den väsentliga informationen.

4.12 Analys av resultat

Analysen har som syfte att skapa en förståelse av datainsamlingen. Resultatet kommer att redovisas med hjälp av statistiska undersökningar (se Statistiska undersökningar; 3.6.1). Den synkroniserade lågfrekvensdatan för samtliga 15 testomgångar inom respektive testkategori (vikta pappershanddukar, större pappershanddukar och toalettpapper)

exporterades in i dataprogrammet Microsoft Excel. Datan som exporterades in bestod av tid, kraft och avstånd som erhölls från NEXYGEN samt BioTac GUI som stod för varje sensors konduktivitetsdata (se Syntouch – BioTac; 3.2.1 samt BioTac GUI; 3.5.5).

Konduktivitetsdatans från BioTac GUI förenades ihop med Lloyd LR5K:s längddata för att skapa en graf, där konduktivitetsdatans fanns på y-axeln och ”avståndet” som BioTac färdades under mätprocessen fanns på x-axeln. Avståndet som BioTac färdas var alltid konstant

eftersom denna sträcka skrevs in i ett script i NEXYGEN som är kopplad till Lloyd LR5K (se

Start av mätning; 4.11.3). I scriptet fanns det möjlighet att välja olika företeelser som Lloyd

LR5K skulle utföra samt dokumentera. Detta innebär att Lloyd skulle kunna användas på egen hand för att genomföra mätprocessen. Dock i detta fall skrevs ett scrips för hur tryck- och dragprovaren Lloyd LR5K skulle förflytta sig vertikalt, vilket i detta fall var en

förflyttning nedåt med BioTac monterat i sin position. BioTac är involverad i projektet för att utföra mätningar eftersom den kan göra det med en större precision än Lloyd LR5K. Därför användes inte tryck- och dragprovaren för att utföra mätningar på testobjekten utan endast för att förflytta den dedikerade mätutrustningen BioTac samt låta den utföra mätningar istället. Därefter plottades grafer för de utvalda sensorernas data för alla 15 tester av samma

testkategori. De sensorerna som valdes i denna studie blev de sensorerna som blev mest utsatta under proverna. Det vill säga sensorerna som är “längst ut” på fingret, dessa är sensor; E07, E08, E09, E10 samt E17. Dessa kan ses i figur 9 med de övriga sensorerna, samt kan det observeras hur BioTacs orientering sker i figur 8.

Dessa grafer som plottades upp först innehöll en sensors mätdata från de 15 testomgångarna som gjordes för respektive testkategori. Detta gjordes för de fem utvalda sensorerna (E07, E08, E09, E10 samt E17) för de testkategorierna. Detta gjordes för att kunna se om testerna påvisade någon form av repeterbarhet. Det vill säga att det var intressant att kunna observera sensorernas händelseförlopp under mätprocedurerna för att se lik- och olikheter mellan testerna.

Efter framtagandet av hur mycket konduktivitetsdata respektive sensor erhöll av samtliga tester observerades det att varje test inte hade samma utgångsläge (se Syntouch – BioTac; 3.2.1). Detta på grund av att vätskans tillstånd i “fingret” alltid var olika inför varje test, vilket gjorde detta svårt att analysera. För att förstå skillnader som BioTac kan uppmäta i respektive test behövdes varje testresultat analyseras på ett sätt som gav liknande förutsättningar. Därför valdes det att analysera skillnaderna som uppkom för respektive test, där dess startvärde subtraherades med dess extremvärde. I figur 10 kan det exempelvis observeras att startvärdet för ett testresultat är 2768 samt att dess extremvärde är 2672. Därför gjordes den specifika uträckning mellan start- och extremvärdet för att analysera hur mycket konduktivitetsdata som skiljs åt i det testet, vilket även gjordes för respektive test. I detta exempel som kan observeras i figur 10, förvärvades en konduktivitetsskillnad på 96. Dessa uträckningar plottades upp i en separat tabell för respektive sensor, test och testkategori. [5]

Figur 10. Exempeltest som förklarar uträckning av konduktivitetsskillnad.

Efter uträckningarna blev differensen känd för skillnaden mellan start- och extremvärdet vilket gjorde det möjligt att analysera om detta koncept är objektivt samt repeterbart. Ett lådagram (se Lådagram; 3.6.3) för respektive sensor inom varje testkategori gjordes med hjälp av tabellen angående konduktivitetsskillnaden.

5

Resultat

5.1 Kravspecifikation för mätkoncept

Christer Korin introducerade problematik kring att skapa ett hållbart perspektiv. Information är nödvändig för att kunna möjliggöra hållbarhet och då behövs även informationen

framställas. Detta måste göras på ett objektivt sätt.

I detta arbete ska ett mätkonceptsförslag framställas som ska ge objektiva mätresultat som ska gå att upprepa, det vill säga repeterbarhet.

5.2 Litteraturstudie

Litteraturstudien utfördes på databaserna Science direct, Scopus, IEEE Xplore och SpringerLink. På dessa databaser användes sökord samt fraser som dessa:

BioTac, BioTac & Lloyd LR5K, BioTac & Tissue-paper, Tissue-paper, Tissue-paper & environment, Tissue-paper & climate & concept development. Proceduren efter detta kan observeras i avsnitt 4.2.

Litteraturstudien gav författarna en ungefärlig inblick på hur ett eventuellt mätkoncept skulle kunna struktureras upp. Dessutom erhölls en uppfattning om vad BioTac samt Lloyd LR5K är, och även vad tissue-papper definieras som. Dessutom fick författarna idéer på hur en metod för konceptframtagning skulle se ut.

5.3 Dissektion av kraven för mätkonceptet

Dissektionen av kraven objektivitet samt repeterbarhet utifrån brainstorming-sessionen visas i varsin mindmap nedan. Se figur 11.

5.4 Framtagning av krav samt önskemål för prototyp

Från litteraturstudien skapades en initial bild på hur mätkonceptet skulle gå till, denna bild kan ses i figur 12. I mätproceduren kommer testobjekten placeras på testanordning för att skapa samt kontrollera förutsättningarna för mätningen. En prototyp på en anordning där testobjekten skulle placeras behövdes konstrueras på grund av att det ej existerade någon i nuläget.

Figur 12. En initial tanke på hur en del av konceptet ska se ut.

De krav och önskemål som ansågs vara nödvändiga för prototypframtagningen erhölls från dissektionen av krav för mätkonceptet. Dessa krav och önskemål följer nedan.

• Krav

A. Prototypen ska vara kompatibelt med Syntouch BioTac samt Lloyd LR5K. B. Testobjektet ska hållas tillräckligt på plats för att ge ett objektivt resultat under

mätoperationen.

C. Prototypen ska ha en identisk placering inför varje mätoperation för att uppnå repeterbara resultat.

D. Prototypen ska inte deformeras under mätoperation som resulterar i felaktiga samt ej repeterbara värden.

• Önskemål

E. Prototypen ska inte ha en alltför komplicerad uppsättning av testobjekt. F. Tillverkningskomplexitet ska vara så enkel som möjligt.

5.5 Viktning av krav och önskemål för prototypframtagning

Viktning av de framtagna kraven samt önskemålen kan ses i följande viktbestämningsmatris, se tabell 9. Viktintervallen är på en tio-skalig viktning, det vill säga 0.1, 0.2, …, 1.0 samt att utövarna viktade först själva som sedan konverterades till ett medelvärde. Notera att kraven i denna viktning får 1.0 när de viktas mot önskemål. Detta beror på att kraven alltid prioriteras före önskemålen.

Tabell 9. Viktbestämningsmatris för krav och önskemål.

A B C D E F G  A X 0.7 0.8 0.9 1.0 1.0 1.0 5.4 B 0.3 X 0.6 0.7 1.0 1.0 1.0 4.6 C 0.2 0.4 X 0.65 1.0 1.0 1.0 4.25 D 0.1 0.3 0.35 X 1.0 1.0 1.0 3.75 E 0.0 0.0 0.0 0.0 X 0.7 0.4 1.1 F 0.0 0.0 0.0 0.0 0.3 X 0.2 0.5 G 0.0 0.0 0.0 0.0 0.6 0.8 X 1.4

5.6 Funktionsframtagning utifrån kraven samt önskemålen De framtagna funktionerna till respektive krav kan observeras i listan nedan.

A. Prototypen ska vara kompatibelt med Syntouch BioTac samt Lloyd LR5K. Funktion 1: Hur ska prototypens geometri förefalla för att fungera med

BioTac?

B. Testobjektet ska hållas tillräckligt på plats för att ge ett objektivt resultat under mätoperationen.

Funktion 2: Hur ska testobjektet installeras samt hållas på plats utan att

erhålla en negativ inverkan på mätresultatet?

C. Prototypen ska ha en identisk placering inför varje mätoperation för att uppnå repeterbara resultat.

Funktion 3: Hur ska prototypen placeras inför varje mätning?

D. Prototypen ska inte deformeras under mätoperation som resulterar i felaktiga samt ej repeterbara värden.

Funktion 4: Vilket material ska prototypen ha för att inte ge en elastisk

5.7 Idéer för lösningsförslag till kravfunktionerna

Lösningsförslagen efter gallring till respektive kravfunktion samt viktning sinsemellan ledde till följande resultat:

Funktion 1: Hur ska prototypens geometri förefalla för att fungera med BioTac? Lösningsförslag 1: Ett bestämt mätområde för alla testobjekt

Det vill säga, alla testobjekten kommer placeras på en och samma prototyp. Denna prototyp kommer tillhandahålla ett bestämt avgränsat område för mätning med BioTac på alla olika testobjekt.

Lösningsförslag 2: Ett ställbart mätområde till respektive testobjekt

En prototyp som kan förändra sitt mätområde för anpassning av testobjektets dimensioner.

Tabell 10. Viktbestämningsmatris för funktion 1.

1 2   _

𝑇𝑜𝑡

⁄

1 X 0.6 0.6 0.6

Funktion 2: Hur ska testobjektet installeras samt hållas på plats utan att erhålla en negativ

inverkan på mätresultatet?

Lösningförslag 1: Med hjälp av en gummisnodd. Se L1 i figur 13

Först träs testobjektet över den tilltänkta prototypen. Därefter kan sedan en gummisnodd används för att hålla tissue-pappret på plats över det tilltänkta mätområdet.

Lösningsförslag 2: Med hjälp av tejp. Se L2 i figur 13

Först träs testobjektet över den tilltänkta prototypen. Därefter kan tejpbitar fästas på testobjektet så att det hålls på plats över det tilltänkta mätområdet.

Lösningsförslag 3: Med hjälp av tvingar. Se L3 i figur 13

Först placeras testobjektet över den tilltänkta prototypen. Därefter placeras en bricka, i en passande storlek, över testobjektet. Därefter appliceras tre stycken tvingar med 120 grader vinkel sinsemellan. Dessa tvingar applicerar nyp-kraft på brickans ovandel och i de håll som skapas i prototypen. Testobjektet hålls då på plats över det tilltänkta mätområdet.

Lösningsförslag 4: Med hjälp av o-ringar. Se L4 i figur 13

Prototypen har två stycken urfrästa spår på sin utsida. I dessa spår placeras o-ringar. Testobjektet träs över prototypen. En tredje o-ring eller gummisnodd dras över testobjektet och placeras mellan de andra två o-ringarna som har bildat ett spår som leder till en förhöjd fiktion mellan testobjektet och prototypen.

Figur 13. De fyra olika lösningsförslagen. L1, L2, L3 och L4.

I tabell 11 finns viktbestämningen för lösningsförslagen till funktion 2.

Tabell 11. Viktbestämningsmatris för funktion 2.

1 2 3 4   _ 𝑇𝑜𝑡 ⁄ 1 X 0.65 0.15 0.3 1.1 0.1833 2 0.35 X 0.1 0.2 0.65 0.1083 3 0.85 0.9 X 0.7 2.45 0.4083 4 0.7 0.8 0.3 X 1.8 0.30

Funktion 3: Hur ska prototypen placeras inför varje mätning? Lösningsförslag 1: Inmätning med hjälp av linjal/skjutmått

En linjal/ skjutmått används för att ställa prototypen på samma ställe inför varje mätning. Lösningsförslag 2: Med hjälp av riktlinjer på en fastmonterad A4 mall

En mall, ritad på ett A4-papper, som är fastmonterad kommer visa var prototypen ska placeras inför varje mätning.

Lösningsförslag 3: Justera in prototypen inför varje mätning

BioTac förs ner mot testobjektet inför varje mätning för att justera in prototypens placering i förhållande till ”fingret” på BioTac.

Tabell 12. Viktbestämningsmatris för funktion 3.

1 2 3   _ 𝑇𝑜𝑡 ⁄ 1 X 0.3 0.65 0.95 0.3166 2 0.7 X 0.9 1.6 0.5333 3 0.35 0.1 X 0.45 0.15

Funktion 4: Vilket material ska prototypen ha för att inte ge en elastisk deformation som har

en negativ inverkan på mätresultatet?

Materialens egenskaper som styrka och bearbetningsbarhet m.fl. kontrollerades i programmet EduPack (se CES EduPack 3.5.2.) för att minska subjektivitet vid viktningen.

Lösningsförslag 1: Stål (se Stål; 3.3.3)

Lösningsförslag 2: Aluminium (se Aluminium; 3.3.4)

Lösningsförslag 3: PLA termoplast (3D-print) (se Polylaktid, PLA; 3.3.2)

Tabell 13. Viktbestämningsmatris för funktion 4.

1 2 3   _ 𝑇𝑜𝑡 ⁄ 1 X 0.6 0.7 1.3 0.43 2 0.4 X 0.55 0.95 0.316 3 0.3 0.45 X 0.75 0.25