Utveckling av pulverhanteringsstation för EBM-tillverkning

Utveckling av pulverhanteringsstation för

EBM-tillverkning

För en förbättrad pulverhantering vid tillverkning med Arcam EBM Q10- och Q20plus

Kasper Österdahl

Sammanfattning

Vid additiv tillverkning med EBM-metoden har hanteringen och återcirkulationen av titanpulver en betydande roll för effektivitet, kvalitet och spårbarhet i tillverkningsprocessen. I takt med att additivt tillverkade produkter fått större marknadsandelar och används i alltmer ingenjörsmässiga applikationer ställs högre krav på tillverkningsprocesserna och därmed pulverhanteringen.

Detta projekt initierades då företaget AIM Sweden såg behovet av att införa ny utrustning i form av en pulverhanteringsstation, med syftet att erhålla en mer effektiv och spårbar pulverhantering vid deras EBM tillverkning med maskinerna Arcam EBM Q10- och Q20plus.

Projektet har genomförts som ett examensarbete för maskiningenjörsutbildningen vid Mittuniversitetet. Målet var att ta fram ett konstruktionsunderlag för en utrusning som uppfyllde identifierade krav och önskemål från uppdragsgivaren AIM Sweden och de närmsta intressenterna för projektet.

Utrustningen togs fram med produktutvecklingsmetodik i fem projektfaser där framstegen från varje milstolpe redovisades för uppdragsgivaren under projektets gång.

Resultatet av projektet bestod i ett konstruktionsunderlag av en pulverhanteringsstation med funktioner för att väga, transportera och homogenisera titanpulver. Stationen skapar förutsättningar för en mer effektiv tillverkningsprocess med förenklad spårbarhetsdokumentation. Detta kan bidra till möjlighet att leverera produkter till fler typer av kunder och en ökad lönsamhet för AIM Sweden.

Innan utrustningen kan tillverkas krävs tester och vidare arbete i form av val av standardkomponenter, konstruktion av drivningssystem samt en mer omfattande ekonomisk kalkyl.

Abstract

In additive manufacturing using the EBM method, the handling and recycling of titanium powder has a significant role for efficiency, quality and traceability in the manufacturing process. As additive manufactured products have gained larger market shares and are used in more advanced applications, higher demands are placed on the manufacturing processes and thus the powder handling.

The project has been carried out as a bachelor thesis for the mechanical engineering degree at Mid Sweden University. The aim was to develop a design basis for an equipment that met the identified requirements and wishes of the client AIM Sweden and the closest stakeholders for the project.

The equipment was developed using product development methodology in five project phases where progress from each milestone was reported to the client during the project.

The result of the project consisted in a design basis of a powder handling station with functions for weighing, transporting and homogenizing titanium powder. The station enables a more efficient manufacturing process with simplified traceability documentation. This can contribute to the ability to deliver products to a wider range of customers and increased profitability for AIM Sweden.

Before the equipment can be manufactured, further work is required in form of strength calculations, choice of standard components and operating systems as well as a more extensive cost calculation.

Förord

Stort tack till AIM Sweden för att jag fått möjligheten och förtroendet att utföra detta arbete hos er. Jag uppskattar att alla på plats varit välkom-nande och satt sig in i projektet. Framförallt vill jag tacka Christoffer Brochs som alltid funnits tillgänglig och varit en engagerad handledare. Jag vill även tacka min handledare från Mittuniversitetet Per Skoglund för stöttning längs vägen och givande diskussioner som fört arbetet i rätt riktning.

Innehållsförteckning

2.1 Electron Beam Melting ... 4

2.2 Återvinning av metallpulver ... 5

2.3 Utrustning i produktionen ... 5

3 Metod ... 10

3.1 Förstudie och planering ... 10

3.2 Produktspecificering ... 11 3.3 Konceptgenerering ... 12 3.4 Konceptval ... 14 3.5 Detaljkonstruktion ... 15 3.6 Prisuppskattning ... 16 3.7 Presentation av slutkoncept ... 17 4 Resultat ... 18

4.1 Förstudie och planering ... 18

5.2 Avgränsningar ... 62 5.3 Metoddiskussion ... 63 5.4 Resultatdiskussion ... 66 5.5 Slutsats ... 68 5.6 Framtida arbete ... 68 6 Referenser ... 69 Bilagor ... 71

Terminologi

AT - Additiv tillverkning, även kallat 3D-printing. Assembly - Sammanställning av flera CAD modeller.

CAD - Computer Aided Design. Ett datorbaserat verktyg för att skapa

3D-modeller och göra simuleringar.

PBF - Powder bed fusion, additiva tillverkningsprocesser som bygger på

att en fokuserad energirik stråle används för att smälta lager i en pulver-bädd.

E-PBF - En variant av PBF där en elektronstråle används för att smälta

eller sintra pulver.

EBM - Electron beam melting, den typ av E-PBF som utvecklats och ägs

av Arcam.

L-PBF - Laser-PBF, de typer av PBF som använder laserstrålar för att

smälta eller sintra pulverbädden.

SLM - Selective Laser Melting, en tillverkningsmetod som tillhör

katego-rin L-PBF som tagits fram av SLM-solutions.

ELI-pulver - Extra low interstitial, pulver med låg syrehalt som blandas i

pulversatser för att hålla ner syrehalten.

FMEA - Failure modes and effects analysis, en metod för att analysera

felmöjligheter.

Hopper - Behållare som är placerad i övre delen av EBM-maskinen vars

1 Introduktion

1.1

Bakgrund

Additiv tillverkning (AT) är ett samlingsnamn för processer där man ut-ifrån en CAD-modell sammanfogar material till ett tredimensionellt före-mål [1] [2]. Oftast görs detta genom att modellen delas upp i tunna skikt som en maskin kan framställa och sätta ihop lager för lager till en färdig del. Dessa metoder gör det möjligt att tillverka produkter med komplexa geometrier i en mängd material och har gått från att användas för proto-typbyggnad till att på senare tid tillverka hållfasta slutprodukter inom medicin-, bil, och flygindustrin [3]. EBM är en metod som bygger på en selektiv smältningsprocess av metallpulver för att tillverka slutproduk-ter. Pulvret distribueras i en tunn pulverbädd och lagrets konturer smälts med en elektronstråle. Det pulver som befinner sig utanför det aktuella lagrets konturer kan återvinnas och användas i en ny process [4]. Detta skapar förutsättningar för en hög resurseffektivitet som kan ge ekono-miska och miljömässiga fördelar [5]. För varje byggprocess förlorar dock pulvret dess ursprungliga kemiska och fysikaliska egenskaper. Vid upp-repade byggprocesser med titanlegeringen Ti4Al6V är ett återkommande problem att pulvret får en ökad syrehalt och partiklarna kan med tiden deformeras samt ändra storlek, form och ytstruktur. Detta kan resultera i en ojämn pulverbädd vilket i sin tur kan ge en negativ inverkan på pre-standan i processen och dess slutprodukter [4] [6]. Återcirkulationen av pulver har därmed en direkt inverkan på ekonomi, miljö och kvalitet och kan därmed ses som en av de viktigaste processerna vid additiva tillverk-ningsmetoder med pulverbädd såsom EBM och SLM.

Pulverhanteringen har fått ett större fokus i takt med att AT fått växande marknadsandelar och kunder inom luftfart och medicinteknik med höga krav på sina leverantörers tillverkningsprocesser. Systemen har gått från

1.2

Projektbeskrivning

Företaget AIM Sweden använder den additiva tillverkningsmetoden EBM med tre maskiner från Arcam EBM AB. Bland dessa finns två Q10plus-maskiner som utformats för tillverkning av medicinska implan-tat samt en maskin av modell Q20plus som har större byggvolym och är anpassad för produkter till flygindustrin [7]. Till dessa maskiner används pulver av titanlegeringen Ti6Al4V i satser upp till 250 kg.

Hantering och återcirkulation av pulver är mycket kritiska processer för AIM Sweden. Den viktigaste aspekten är att undvika kontaminering av pulvret, och det är även önskvärt att kunna spåra pulvrets väg genom processen under dess livstid. Man köper in pulver utifrån två olika speci-fikationer som är certifierade enligt ASTM-standarderna F2924 respek-tive F3001 och kallas grade 5 respekrespek-tive grade 23, där den senare har en lägre syrehalt och kallas ELI-pulver [8], [9].

Projektet initierades då AIM Sweden var i behov av ett förbättrat pulver-hanteringssystem som krävde ny utrustning till produktionen. Arbetet genomfördes under tidsperioden mars – juni 2020 som ett examensarbete på maskiningenjörsprogrammet vid Mittuniversitetet.

1.3

Syfte

Detta arbete syftade till att skapa förutsättningar för AIM Sweden att er-hålla en högre nivå av spårbarhet på titanpulvret än de har i dagsläget samt en mer användarvänlig och repeterbar pulverhanteringsprocess ge-nom ny utrustning för pulverhantering.

1.4

Mål

Projektets mål var att ta fram ett konstruktionsunderlag för tillverkning av utrustning som uppfyller de krav som ställts av uppdragsgivaren AIM Sweden och dess viktigaste intressenter. Konstruktionsunderlaget skulle innefatta CAD-filer, ritningar över specialkomponenter samt en uppskat-tad tillverkningskostnad från en tillverkare. Utöver det skulle en skriftlig rapport samt en slutpresentation av projektet överlämnas till uppdrags-givaren.

1.5

Avgränsningar

I detta avsnitt beskrivs de avgränsningar som gjorts för projektet. Motor och drivning

Projektet avgränsades till att överlåta dimensionering, val av motorer och växlingssystem till tillverkaren. Vid dimensionering av övrig utrustning togs dock dessa komponenters platsåtgång i åtanke.

Hållfasthet

Beräkningar av hållfastheten på de olika konstruktionerna med hjälp av FEM-analys utförs inte i detta projekt utan överlämnas åt tillverkaren. Val av standardkomponenter

I detta projekt presenteras begränsningar och önskemål som styr valet av standardkomponenter, men det slutliga valet av dessa överlämnas åt till-verkaren.

Användningsområde

Utrustningen som utvecklades i projektet anpassades till den uppsättning av maskiner och kringutrustning som används av AIM Sweden. Därmed kan kompatibiliteten för andra EBM maskiner än Q10plus och Q20plus inte garanteras.

2 Teori

I detta kapitel ges förklaringar till begrepp och processer som kan vara bra för läsaren att känna till.

2.1

Electron Beam Melting

Elektronstrålesmältning, EBM, är en additiv tillverkningsmetod för me-tall inom kategorin Powder Bed Fusion. I denna metod används en ener-girik elektronstråle för att smälta metall i en pulverbädd. Elektronstrålen skapas från en katod placerad i maskinens överdel. I Arcams maskiner Q10- och Q20plus skapas pulverbädden genom att hopprarna deponerar pulver i högar längs sidorna av byggplattan och en raka sveper över byggbordet och skapar ett tunt pulverskikt. En kombination av elektro-magneter, kallade linser, skapar ett magnetfält som används för att foku-sera och justera elektronstrålens position på byggbordet. Händelseförlop-pet vid denna process påbörjas av rakan som skapar pulverbädden, elektronstrålen sveper sedan över hela byggplattan och binder ihop pulv-ret till en fast massa, kallad byggkaka, se Figur 1. Pulvpulv-ret i denna kaka benämns som semi-sintrat och kan blästras bort i ett senare skede av pro-cessen för att återanvändas. Konturerna i det aktuella lagret smälts sedan med elektronstrålen och sammanfogas med lagret under. Då lagret är klart sänks byggbordet och rakan skapar en ny pulverbädd så processen kan upprepas. [10]

Figur 1: Byggkakan av semi-sintrat pulver innesluter de tillverkade delarna, i detta fall höftkoppar. Dessa avlägsnas genom blästring i ett senare skede av processen.

2.2

Återvinning av metallpulver

I Arcams tillverkningsmaskiner förvaras pulvret i en sluten vakuumkam-mare för att minimera kontaminationsrisken. Vid pulveråtervinning be-höver man dock öppna maskinen och därmed utsätta pulvret för omgiv-ningen. Det är således önskvärt att minimera tiden för pulverhanteringen eftersom det minskar risken för kontamination.

Processen för att återvinna pulver vid additiv tillverkning kan delas in i fyra strategier med olika tillvägagångssätt (beskrivna som A-D nedan). I samtliga strategier siktas det återvunna pulvret innan det återförs till sy-stemet för att avlägsna större partiklar. Vid tillämpning av strategi (A) blandas återvunnet pulver med nytt ELI-pulver i den mängd som avlägs-nats genom produktens byggvolym och eventuellt spill. Detta ger en kon-stant volym av pulversatsen med hög variation i dess uppsättning [11]. Strategi (B) kallas kollektivt åldrande och innebär att man låter satsen ge-nomgå så många byggprocesser som möjligt tills en residualvolym kvar-står. Denna volym är inte tillräckligt stor för en ytterligare process utan återförs till det hopsamlade återvunna pulvret från de förgående proces-serna inför nästkommande cykel. På så sätt fås en pulversats som kollek-tivt åldras för varje byggcykel vilket kan vara fördelaktigt för spårbar-hetsdokumentation [11]. I strategi (C) återinförs återvunnet och siktat pulver utan att blandas med nytt pulver efter varje byggprocess. Denna strategi har tillämpats i studier för att undersöka förändringar av pulvrets egenskaper efter återanvändning [6]. Strategi (D) bygger på att använt och siktat pulver placeras ovanpå oanvänt pulver i maskinen, och kallas för ”toppning” [12].

2.3

Utrustning i produktionen

Figur 2: De EBM maskiner som används av AIM Sweden. Till vänster och i mitten ses Q10plus maskinerna och till höger ses modellen Q20plus

På grund av de olika byggvolymerna har maskinerna även olika storlek på dess hopprar och avståndet mellan dem, se Figur 3. Hopprarna har dessutom skillnader i upphängningsanordning vilket gör att varje ma-skin kräver olika typer av kringutrustning. För att tömma en hopper på pulver avlägsnas en metallskiva som utgör hopperns botten.

Figur 3: Insidan av de två maskinerna med dess hopprar och

Powder Recovery System – PRS

För att återvinna pulver används blästringsmaskinen Powder Recovery System (PRS), se Figur 4. Maskinen laddas med titanpulver som används för att blästra bort semisintrat material från byggkakan och därmed avlägsna de tillverkade detaljerna. Pulvret cirkulerar i maskinen och samlas i en behållare som kallas PRS20.

Figur 4: Till vänster ses blästringssystemet PRS. I mitten: blästring av byggkakan. Till höger ses uppsamlingsbehållaren PRS20, som kan avlägsnas och lyftas med Q20

Q10 och Q20 trolleys

De två vagnar som används för att lyfta ut hopprarna kallas för trolleys. Hos AIM Sweden finns en Q10 trolley samt en Q20 trolley som används både till att lyfta ut Q20 hopprar men även andra typer av pulverbehållare såsom kvartsfat och PRS20 behållaren, se Figur 5.

Figur 5: Bild av de två trolleys som finns på AIM Sweden. Till vänster: Q10 trolley, till höger: Q20 trolley.

Dammsugare

I lokalerna finns två dammsugare som används för att samla upp titanpulver från tillverkningen. Den ena är designerad för rent

titanpulver, och får därmed bara användas för löst pulvret i maskinen, medan den andra används för pulver som anses vara kontaminerat genom att det har fallit till golvet eller varit i kontakt med andra ytor.

Siktstation

Innan pulver återförs till systemet måste det siktas. Den sikt som används hos AIM Sweden kommer från företaget Russell Finex och siktar pulver med meshstorleken 150 µm, se Figur 6.

Figur 6: Den sikt från Russell Finex som används av AIM Sweden. Våg

I lokalen finns en golvvåg från tillverkaren Kern för vägning av ELI-pulver. Vågplattan har en storlek på 500x400 mm, se Figur 7.

3 Metod

I detta kapitel beskrivs de metoder som använts. Arbetet utgick från de projektfaser för produktutveckling som beskrivs av Johanneson et al. [13] med förstudie och planering, produktspecificering, konceptgenerering, konceptval följt av detaljkonstruktion. En ytterligare projektfas lades till för prisuppskattning.

3.1

Förstudie och planering

Denna fas i produktutvecklingsprocessen syftar till att planera och strukturera det kommande arbetet samt att undersöka och analysera problemområdet.

3.1.1 Möten och mailkontakt

Arbetet inleddes med ett uppstartsmöte med en mindre grupp av personalen på AIM Sweden där i syftet att få en djupare inblick i företaget och de olika tillverkningsprocesserna. Dessutom hölls en introduktion till tillverkningslokalerna samt en genomgång av den nuvarande pulverhanteringen och dess aktuella problematik. Uppdragsgivaren arbetade fram en kravspecifikation för vad de ansåg att en ny produkt skulle uppfylla för att vara användbar.

3.1.2 Planering

En SMART - plan skapades där syfte, mål, avgränsningar, resurser och tidplan beskrevs. Denna plan försågs även med de riktlinjer för avstämning som utformats tillsammans med AIM och den kravspecifikation för projektet som tagits fram. Detta projekt ägde rum under våren 2020 och kom därför att eventuellt kunna påverkas av den rådande virusspridningen av Covid-19. Därför gjordes även en uppdaterad planering i samråd med AIM då universitets samtliga utbildningar övergick till distansundervisning för att vara förberedd på förändrade förutsättningar.

3.1.3 Observation och deltagande i produktionen

För att få en god förståelse för tillverkningsprocessen studerades produktionen under två tillfällen, en eftermiddag och en heldag. Detta gjordes tillsammans med en anställd på AIM som är väl förtrogen med processen och kunde bistå med generell och specifik information. Fokus vid denna genomgång låg på pulverhanteringen men innefattade även övriga delar av processen.

3.1.4 Kommersiella produkter för pulverhantering

I ett produktutvecklingsarbete görs vanligen en marknadsanalys i syfte att undersöka förutsättningarna för en produkts lönsamhet på marknaden [13]. Då denna produkt i första hand inte är tänkt att lanseras på en kommersiell marknad gjordes istället en analys av befintliga pulverhanteringssystem för att få en uppfattning om vad som tidigare gjorts på området samt aktuella trender och utvecklingsriktningar. Insamling av data gjordes genom internetsökningar, undersökning av olika tillverkares produktkataloger och informationsvideor. Dessutom fördes mailkontakt med väl insatta personer inom branschen.

3.2

Produktspecificering

Denna fas i produktvecklingsarbetet syftar till att precisera problemet och ge samtliga intressenter en enhetlig syn på projektet [13]. Genom att upp-rätta en specifikationslista på vad produkten ska åstadkomma kan denna användas för att stödja sökandet av lösningar och värdera olika lösnings-koncept mot varandra. Detta gjordes med hjälp av nedan beskrivna stöd-metoder.

3.2.1 Intressentanalys

En intressentanalys gjordes i samråd med AIM med avsikt att kartlägga vilka grupper som kan komma att bli berörda av den tilltänkta produkten.

3.2.2 Metodansatser

Syftet med att bestämma metodansatser var att identifiera vilka metoder som lämpade sig för informationssamling av intressenternas krav och önskemål för att i senare steg kunna säkerställa att de uppfylls.

Metodansats 1, Telefon och mailkontakt

Metodansats 3, Intervjuer med personal på AIM Sweden

Intervjuer med personal med olika ansvarsområden och infallsvinklar på problemet gjordes för att erhålla en övergripande bild av problemet samt identifiera relevanta krav och önskemål för produkten. Bland personalen fanns personer med teknikansvar, ekonomiansvar samt operatörer.

3.2.3 Inläsning på teknikområdet

För att erhålla en djupare förståelse och lämpliga lösningar gjordes en inläsning av teknikområdena:

• Avancerad vägning • Blandning av pulver

Inläsning av tekniken gjordes genom websökningar samt tekniska böcker och tidskrifter.

3.2.4 Kravspecifikation

De krav och önskemål som uppkommit genom metodansatserna tillades i den kravspecifikation som tagits fram av uppdragsgivaren. Kriterierna delades in i krav respektive önskemål, där önskemålen viktades på en skala 1–5 för att underlätta värderingen av koncepten i ett senare skede. Kriterierna särskildes också beroende på om de beskrev en funktion (f) eller begränsning (b). Detta gjordes för att enklare kunna dela upp kriterierna vid senare funktionsanalyser och konceptgenereringar.

3.3

Konceptgenerering

3.3.1 Funktionsstruktur

För att få en bra överblick av vilka funktioner som produkten skulle in-nehålla samt i vilken ordning funktionerna används i processen gjordes en funktionsstruktur. I denna identifierades de funktioner som processen bör innehålla samt deras individuella input respektive output.

3.3.2 Funktionsanalys

I funktionsanalysen fastställdes de funktioner som produkten skulle in-neha. Funktionerna kunde sammanfattas till två huvudfunktioner; väg-ning respektive homogenisering, som var och en bestod av ett antal del-funktioner. Funktionerna och delfunktionerna samlades i en tabell.

3.3.3 Identifiering av behovsområden

Tillsammans med AIM kunde de viktigaste behovsområdena identifieras och formuleras. Dessa utformades som öppna och lösningsoberoende för att skapa en så stor lösningsrymd som möjligt.

3.3.4 Generering av lösningar

För att ta fram lösningar på delproblem användes både systematiska och kreativa metoder för att erhålla en stor lösningsrymd. Dessa metoder be-skrivs nedan.

Systematiska metoder

Katalogmetoden användes för att systematiskt undersöka hur liknande problem har lösts i andra sammanhang [13]. Materialet hämtades från hemsidor, broschyrer och bilder.

En annan metod som användes för att ta fram ytterligare dellösningar var Analys av naturliga system som går ut på att identifiera hur naturen har löst liknande problem. Att utifrån detta ta fram lösningar som liknar na-turens tillvägagångssätt kallas biomimikry och har visat sig användbart vid design och konstruktion. [13]

Kreativa metoder

Brainstorming var den kreativa metoderna som användes för att generera dellösnigar. Detta genomfördes med en grupp från personalen på AIM med olika fokusområden. Brainstormingen utgick från de behovsområ-den som ibehovsområ-dentifierats för produkten. För att få en givande session är det fördelaktigt att tänka utanför det ordinära och spinna vidare på varand-ras idéer. Vidare bör kvantitet gå före kvalitet och kritik är strängt förbju-det [13]. Dessa förhållningssätt presenterades för gruppen som också uppmanades att efterfölja dem.

3.3.5 Morfologisk matris

De mest lovande lösningarna för varje delfunktion samlades i en tabell som kallas morfologisk matris, vilken syftade till att ligga till grund för konceptgenereringen och underlätta denna.

Dimensionerna på den befintliga kringutrustning som används vid pul-verhanteringen uppmättes och kunde således återskapas i CAD – mo-deller. Koncepten placerades sedan i en assembly och måttsättas grovt genom att anpassa dimensionerna efter den modellerade kringutrust-ningen. Volymerna av homogeniseringsutrustningen beräknades för varje koncept för att undersöka huruvida kravet för volymkapacitet upp-fylldes, se krav 10 i bilaga 2. Modellerna med koncept och kringutrust-ning användes även för visualisering av de olika koncepten.

Återkoppling från AIM

Koncepten presenterades för AIM och varje koncept försågs med en SWOT –analys. Deltagarna uppmanades att fylla ut dessa analyser med deras tankar och åsikter kring de olika koncepten.

3.4

Konceptval

3.4.1 Säkra kravspecifikationen

En genomgång av kravspecifikationen gjordes tillsammans med AIM för att säkerställa att alla krav fanns med och att önskemålen var korrekt vik-tade. Detta resulterade i att några kriterier tillkom och andra omformule-rades eller gavs en annan vikt inför det kommande konceptvalet.

3.4.2 Ellimineringsmatris

Genom att använda en elimineringsmatris kan man sålla bort lösningar som inte uppfyller kraven eller på andra sätt är direkt olämpliga. Kon-cepten stämdes av mot samtliga krav i kravspecifikationen och försågs med ett (+) för godkänt, ett (–) för underkänt och (?) då mer info krävdes. Utöver detta kontrollerades det om koncepten löste huvudproblemet, var realiserbara, låg inom kostnadsramen, var säkra och ergonomiska samt passade företaget. Då koncepten inte var beskrivna på detaljnivå gjordes bedömningen utifrån deras maximala potential vid en vidareutveckling.

3.4.3 Informationsinsamling

Eftersom de flesta koncept fick beslutet att mer information krävdes gjor-des ytterligare informationsinsamling med syftet att undersöka den tek-niska genomförbarheten närmare för de olika koncepten. Detta gjordes genom undersökningar av: Max- och minimihöjd på Q10 och Q20 trolley, titanrummets dimensioner samt realiserbarhet för lastcellsmontering.

3.4.4 Utveckling och uppdelning av koncept

Den tillkomna informationen användes för att utveckla koncepten till de-ras maximala potential med hänsyn tagen till den nya informationen. Koncepten delas sedan in i olika delkoncept beroende på vilken av hu-vudfunktionerna de löste. De utvecklade lösningarna blev således inte to-talkoncept utan syftade till att lösa antingen vägning eller homogenise-ring. Detta kunde göras eftersom lösningarna för de olika problemen var oberoende av varandra och kunde därför utvecklas var för sig för att i ett senare skede sättas ihop till totalkoncept. De nya delkoncepten togs fram och visualiserades genom handskisser.

3.4.5 Pughs relativa beslutsmatris

De nya lösningarna jämfördes i två separata beslutsmatriser som rörde vägning respektive homogenisering. I matriserna valdes ett koncept till referens och de övriga koncepten jämfördes för varje kriterium i kravspe-cifikationen om det uppfylldes bättre (+), sämre (-) eller lika bra (0) som referensen [13]. Resultatet för varje kriterium multiplicerades med dess vikt och summerades till en totalpoäng. Konceptet med högst poäng blev referens i en ny omgång till dess att vinnaren förblev obesegrad.

3.4.6 Konceptpresentation och val

Under ett möte med AIM Sweden presenterades och förklarades koncep-ten samt resultatet från de relativa beslutsmatriserna. För- och nackdelar, spontana åsikter samt kombinationsmöjligheter av de olika koncepten diskuterades. Efter detta kunde två koncept från respektive huvudom-råde väljas ut för fortsatt realisering.

3.5

Detaljkonstruktion

3.5.1 Utvärdering och förfining i två iterationssteg

och fick ett risktal baserat på felsannolikhet, allvarlighetsgrad och upp-täckbarhet. Dessa tre faktorer bedömdes var och en på en skala på 1-10 där höga poäng innebär en högre allvarlighetsgrad. De tre faktorernas poäng multiplicerades med varandra för att ge ett risktal.

3.5.3 Säkra koncept mot kravspecifikation

En granskning och kontroll av slutkonceptet gjordes genom säkerställa att det uppfyllde samtliga krav från kravspecifikationen.

3.5.4 Primärkonstruktion

Koncepten delades upp i dess komponenter och kategoriserades som standardkomponenter respektive komponenter som kräver nyutveckl-ing. Utöver detta skapades en tabell med rekommendationer och sty-rande mått för standardkomponenterna.

3.6

Prisuppskattning

I detta avsnitt beskrivs tillvägagångssättet som användes för att ta fram en uppskattad tillverkningskostnad på hela systemet.

3.6.1 Telefonkontakt med tillverkare

De två koncept som tagits vidare till detaljkonstruktion presenterades i telefonmöten för LP innovation, en lastcellsåterförsäljare och ett lokalt svetsföretag. Vid presentationen förklarades konceptens ingående delar, funktioner och dimensioner och ungefärligt pris diskuterades.

3.6.2 Möte med LP innovation och AIM Sweden

Ett fysiskt möte genomfördes med en representant från tillverkningsföre-taget och personalen från AIM Sweden. Detta syftade huvudsakligen till att skapa en gemensam bild och förse tillverkaren med tillräcklig inform-ation för att kunna göra en prisuppskattning på utrustningen. Innan mö-tet hade en sammanställning av vilka längder av olika profiler som kräv-des för de olika koncepten. På detta möte gjorkräv-des även en checklista på vad som skulle överlämnas till tillverkaren för att kunna göra en offert.

3.7

Presentation av slutkoncept

Den slutliga pulverhanteringsutrustningen modellerades i SolidWorks tillsammans med den befintliga kringutrustningen i produktionsloka-lerna. Renderade bilder av pulverhanteringsutrustningen i simulerade produktionssteg användes för att presentera och förklara den slutliga lös-ningen. Avslutningsvis gjorde en kort pitch för att framhäva konceptets fördelar.

4 Resultat

I detta kapitel presenteras resultatet från de använda metoderna.

4.1

Förstudie och planering

4.1.1 Planering

Resultatet från planeringen beskrivs i SMART-planeringen tillsammans med den uppdaterade planeringen under bilaga 1.

4.1.2 Observation och deltagande i produktionen

Genom att delta i produktionen vid tillverkning av höftkoppar i maski-nen Arcam EBM Q10plus erhölls en övergripande bild av pulverhante-ringen genom processen. Pulvrets väg beskrivs schematiskt i Figur 8.

Figur 8: Cirkulationen av titanpulver vid EBM- tillverkning hos AIM Sweden.

I dagsläget sker pulverhanteringen manuellt av operatörer i ett öppet sy-stem. AIM har köpt upp en större mängd från en och samma sats av ELI-pulver från tillverkaren. Vid denna process används ELI- pulveråtervinnings-strategi A som beskrivs i avsnitt 2.2. Processloopen börjar med att fyllda hopprar placeras i maskinen och ett nytt bygge startas. Då maskinen är klar och har svalnat öppnas luckan och byggbordet höjs. Löst pulver sugs upp med dammsugaren som är designerad för rent titanpulver. Byggka-kan Byggka-kan sedan tas ut och överföras till PRS. Innan blästring påbörjas till-förs nytt ELI-pulver till PRS. På så sätt kompenserar man för den mängd som avlägsnats i form av färdiga detaljer samt eventuellt spill så att en

konstant pulvermängd upprätthålls. Efter avslutad blästring siktas pulv-ret genom att PRS20 placeras ovanför sikten med hjälp av Q20 trolleyn. Siktat pulver blandas sedan med det kvarvarande hopperpulvret i en ma-nuell homogenisering som bygger på att pulver från de olika källorna placeras omlott i flera lager och blandas med ett homogeniseringsverktyg kallat powder mixing tool. I den stunden skapas en ny sats som sedan används för att återigen fylla upp hopprarna.

4.1.3 Kommersiella produkter för pulverhantering

Här redovisas resultatet från marknadsanalysen.

GE Arcam Spectra

Den senaste versionen av Arcams maskiner tillämpar ett så kallat slutet system där pulvret är isolerat från omgivningen och människan under hela tillverkningskedjan. Detta har lösts genom att dels innesluta byggkakan i en metallbehållare för transport till PRS och dels med ett nytt system för pulverbehållare som samtliga har en ventil för tömning och fyllning. Ventilerna är utformade för att automatiskt stängas då behållaren är full och har olika diametrar, exempelvis går inte behållaren som används innan siktning att koppla till hopperfyllaren. Därmed kan man inte av misstag fylla hopprarna med osiktat pulver. Hopperfyllaren är i sig ett intressant system som möjliggör vägning av hopprar vilket är ett krav från AIMs sida. Systemet ska även fungera till Q20 hopprar.

Höganäs

Det svenska företaget Höganäs har skapat en hanteringsstation för metallpulver som syftar till att kunna användas av AT- tillverkare. Systemet är en hög konstruktion som längst upp har en stor säck av polymermaterial där pulvret fylls. Pulvret går sedan igenom en sikt och slutligen till en behållare som står fritt på en vågplatta. [14]

SLM Solutions GmbH – SLM PSV

Detta system kallas PSV – Automatic Powder Supply Module och är anpassat för att integreras i de befintliga maskinerna SLM 280 och SLM500 som använder SLM-teknik. Systemet består av en separat enhet som kopplar SLM-maskinen till motsvarande PRS där pulvret förflyttas genom inducerat vacuum. I övrigt är systemet fyllt med inert gas för att minska explosionsrisk och ökad ackumulering av syre i pulvret. Systemet har både inbyggd våg och sikt. Funktionen hos systemet består av 3 rutter;

1. Fyllning. Siktat pulver tillförs SLM-maskinen genom den lufttäta slangen.

2. Recirkulering av pulver. Det pulver som faller ned på sidorna av byggplattan återcirkuleras till PSVn.

3. Återhämtning av pulver. Detta sker på SLM280 genom att en slang kopplat till PSVn suger upp det överblivna materialet i maskinen. På SLM500 ingår även en PRS vilket istället blir pulverkällan i tredje rutten.

Det finns även möjlighet att fylla på PSVn med nytt pulver för att ersätta byggmaterialet. Detta sker då med dammsugarslang. [15]

VAC-U-MAX

Detta system är ett mobilt pulverhanteringssystem som på många sätt liknar Höganäs lösning med några undantag. Systemet står på hjul och är något mindre än Höganäs system. Som namnet antyder bygger det på vakuumteknik där man hämtar pulver till systemet genom att dammsuga upp det. Vakuumenheten föregås av flera filter för att minimera kontaminationsrisken. Alla kontaktytor består av gnist- och rostfritt stål. I systemet finns en inbyggd sikt och en kontakt för att enkelt kunna jorda systemet i ett eluttag. Alla moment sköts genom en digital panel på baksidan av konstruktionen. [16]

AMPRO Sieve station och AMPRO 400S EBM från Russell Finex

Russell Finex gör tillbehörsutrustning till 3D skrivare och har bland annat tagit fram en siktstation kallad AMPRO Sieve station. Denna består av ett stort skåp innehållande en sikt, fyllning sker via den integrerade vakuumslangen. Systemet kan köras med inert gas för minskad explosionsrisk och det siktade pulvret vägs kontinuerligt. Systemet ska även kunna användas för att bestämma syrehalten på ett pulver för att avgöra om det kan tas till produktion. Russell Finex har även en station som är utformad för att användas till EBM tillverkning, se Figur 9. Denna konstruktion står på en vagn och är utformad för att kunna fylla hopprarna med pulver. [17]

Figur 9: AMPRO 400S EBM är en siktstation från Russell Finex vars uppgift är att fylla hopprar med siktat återvunnet pulver. Bild hämtad från [17]. Återgiven med

4.2

Produktspecificering

4.2.1 Intressentanalys

De intressentgrupper som identifierades kunna bli berörda av produkt-utvecklingsarbetet eller den tilltänkta produkten framställs i Figur 10.

Figur 10 : Intressentanalys för projektet. AIM Sweden

Den viktigaste intressenten i projekt var AIM som både var uppdragsgi-vare och användare av produkten. De olika avdelningarna på företaget har något olika kravbilder på vad produkten bör leverera och har särskil-des därför i intressentanalysen.

Kunder till AIM

AIM jobbar med kunder från olika branscher med olika kravbilder. Bland de som ställer högst krav på produktionen finns Aerospacekunderna och kunderna inom medicinteknikområdet som är certifierade enligt flera olika standarder som ställer krav på leverantörens produktionsprocesser.

GE Additive (Arcam)

Den del av GE som arbetar med additiv tillverkning producerar de Arcam-maskiner och kringutrustning som används på AIM. De kan

AIMs Kunder

•

Medicinteknik

•

Luftfart

•

Övriga

•

Tillverkning

AIM

komma att beröras av den tilltänkta produkten i ett senare skede då pro-dukten finns tillgänglig för ett eventuellt uppköp.

LP innovations

Detta företag är inriktade på produkter uppbyggda av aluminiumprofiler från det franska företaget Norcan [18]. LP innovation erbjuder både en-klare profilbaserade lösningar och helhetslösningar med integrering av andra system för kundanpassade produkter. De har sedan tidigare kon-takt med AIM angående tillverkning av produkter för pulverhantering. I första hand är det tänkt att produkten ska produceras av dessa, vilket gör att de har krav och önskemål rörande konstruktionen.

4.2.2 Krav och önskemål

Behoven hos de olika intressentgrupperna samlades genom metodansat-serna beskrivna i avsnitt 3.2.2. Dessa sammanställdes i listor som sedan fördes in i kravspecifikationen.

AIM Sweden

Nedan beskrivs identifierade krav och önskemål från AIM på företagsnivå och som användare av den tilltänkta produkten.

Företaget

De behov som finns för företaget handlar om att man vill åstadkomma en fullständig kontroll av pulver genom processen och på så sätt få en högre spårbarhet och möjlighet att identifiera områden med förbättringspot-ential i processen. Ett mål är att få kännedom om exakt pulveråtgång för respektive byggprocess och på så sätt kunna jämföra offertunderlag mot faktisk åtgång utifrån en ekonomisk synvinkel. Man vill med även redu-cera arbetet för operatörer och ge förutsättningar för att skapa en process med hög reliabilitet. Produkten måste vara ekonomiskt försvarbar och ett önskemål är att den ska vara klar att tas in i produktion innan årsskiftet.

Tabell 1: Krav och önskemål från uppdragsgivaren AIM Sweden.

Behov - AIM Företaget

Funktion/Begräns-ning

Krav/Önske-mål

Väga, tömma och förvara

Q10 plus hopprar F K Q20 plus hopprar F K PRS20 eller pulvertunna F K Kompatibilitet Q10 plus trolley F K Q20 plus trolley F K Homogenisering

Kunna homogenisera 250 kg titanpulver F K Kunna tillföra pulver i homogeniseringssteget F K

Siktning

Inbyggnad av befintlig sikt F Ö

Kontaminering

Kontaktytor i rostfritt eller titan B K

Inte medföra ökad kontaminationsrisk B K

Medföra minskade kontaminationsrisker F Ö

Risker

Inte medföra ökad hälso- eller skaderisk för

perso-nal B K

Inte medför ökad explosionsrisk F K

Förvaring Q10plus hopprar F Ö Q20plus hopprar F Ö Q10plus byggtank F Ö Q20plus byggtank F Ö Pulvertunnor F Ö Övrigt

Ökad reliabilitet (repeterbarhet) i processen F K

Samma process för alla maskiner F Ö

Kunna introduceras innan årsskiftet B Ö

Få plats i titanbearbetningsrummet B Ö

Användaren

För de som arbetar som operatörer i produktionen handlar behoven om att få en enkel och smidig process för att minimera risker kopplade till arbetet. Man vill minimera arbetsskador som kan uppkomma i samband med pulverdamm, tunga och repetitiva moment eller andra moment i processen. Dessutom vill man genom en enkel process minska risken för att man gör fel som orsakar pulverkontamination, störningar i magnetfält eller förstörd spårbarhet. Som produktionsarbetare är det viktigt att det inte finns moment som stör arbetsflödet såsom många omkopplingar el-ler ständiga byten av utrustning. Man vill ha ett arbetsflöde som är logiskt uppbyggt och kan utföras på samma sätt oberoende av tillverkningsma-skin. På så sätt slipper man lägga arbetstid på att fundera över arbets-gången. Vidare vill man minimera flaskhalsar i produktionsflödet och gärna ha moment som antingen ligger i tidsspannet mindre än 5 minuter eller över en halvtimme. Detta eftersom de processer som har en tidsåt-gång mellan 5 och 30 minuter upplevs som för lång tid att stå intill och vänta, men för kort tid för att påbörja ett ytterligare moment eller ta en rast utanför produktionslokalerna. Nedan listas behoven i Tabell 2.

Tabell 2: identifierade behov hos användaren av stationen, i detta fall operatörer.

Användarens behov

Inte försvårad process Förenklad process

Minskad risk för pulverkontaminering Inte medföra ökade hälso- eller skaderisker Minskade hälso- och skaderisker

Inte försämrad arbetsmiljö Omöjliggöra mänskliga faktorn-fel

med processen samt validerings- och kalibreringscertifikat för utrust-ningen. Stora förändringar i processen kräver att kunderna lägger omfat-tande resurser på att återigen säkerställa att den uppfyller kraven, där-med är det ett önskemål att göra det enkelt för företagen att förstå skill-naderna som uppkommer i samband med ny utrustning. [19]

Tillverkare

En intervju med personal på LP innovation gav information om deras ka-pacitet och önskemål för att förenkla tillverkningsprocessen. LP innovat-ions ansåg att de kunde bistå i arbetet på många olika sätt, de kunde dels leverera profiler till kunder för att själva montera till färdig produkt, eller bistå med montering och installation. För att kunna ge bästa möjliga hjälp önskar de att konstruktören använder sig av Norcans aluminiumprofiler och komponenter [18] vid modellering där det är möjligt, samt att det förs en dialog kring konstruktionen för att minimera risk för missförstånd. Profilerna från Norcan finns även tillgängliga som CAD-modeller på till-verkarens hemsida.

GE Additive (Arcam)

Kontakt togs med GE additive som kunde dela med sig av information kring befintliga system. Eftersom detta projekt syftar till att specifikt möta kraven från AIM Sweden ansågs det inte nödvändigt att presentera kon-cepten för denna intressent under projektets gång. Förhoppningsvis är företaget intresserade av att ta del av projektet då det har avslutats.

4.2.3 Inläsning på teknikområdet

Vid inläsning på teknikområdet togs kontakt med en tillverkare av vågar och lastceller. Denna kontakt kunde ge exempel på lämpliga lastceller och monteringar av dessa för att väga otympliga föremål. De mest lovande grundprincipen för detta projekt ansågs vara att använda sig av lastceller, se Figur 11 [20]. Bland dessa fanns tre mer lovande varianter:

• S-lastcellen som lämpar sig för dragande belastning och därmed upphängning av vikter.

• Singlepoint-cellen som har en platta där föremålet placeras för att vägas.

• Shear beam celler där 2-4 enheter används och har en fördel i att de klarar skjuvande belastningar.

Figur 11: Olika lastcellstyper från Vetek. Bilder hämtade från [20]. Till vänster: en S-lastcell. Mitten: en singlepoint-lastcell, till höger: en shear-beam-S-lastcell. Återgiven

med tillstånd.

Vid inläsning på tekniska området kring blandning av pulver, erhölls in-formation om olika blandartyper och deras applikationer. I läkemedels-industrin används ofta någon variant av tumlarblandare såsom v-blan-dare eller dubbel-konisk blanv-blan-dare, se Figur 12 [21]. Dessa typer ansågs vara mest lämpliga för den tilltänkta homogeniseringsutrustningen ef-tersom pulvret endast är i kontakt med rostfritt stål i ett slutet rum. Den optimala fyllnadsvolymen för dessa ligger på mellan 20 och 40 % av blan-darens totala volym. Den bästa blandningen sker då centrifugalkraften är låg men inte så låg att ingen turbulens sker. [22]

4.2.4 Kravspecifikation

De identifierade behoven hos de olika intressenterna samlades i en krav-specifikation för produkten som finns som bilaga 2.

4.3

Konceptgenerering

4.3.1 Funktionsstruktur

Funktionsstrukturen sammanfattas nedan i Tabell 3 som beskriver funkt-ionerna samt deras input och outputs. Den fullständiga funktionsstruk-turen finns som bilaga 6.

Tabell 3 Sammanställning av funktionsstrukturen

Input Funktion Output

Ny pulverbatch Fylla hopprar Känd utgångsmängd Se insatt pulvermängd i vardera

hop-per

Byggprocess Se kvarstående pulvermängd i vardera hopper Känd kvarstående icke-pro-cessad mängd Information för maskinjuste-ringar Vakuumsug +

Bläst-ring i PRS + Siktning Se mängd återvunnet pulver Känd återvunnen pulver-mängd Pulver från olika

platser Blanda pulvermängder Uppsamlat pulver i homoge-niseringsbehållare Uppsamlat pulver Homogenisera pulver Ny homogen pulversats

med spårbarhet

4.3.2 Funktionsanalys

Utifrån funktionsstrukturen kunde följande huvudfunktioner och del-funktioner identifieras. De olika deldel-funktionerna kunde även delas in i krav och önskemål utifrån den kravspecifikation som tagits fram. Dessa listas i Tabell 4 nedan.

Tabell 4 Funktionsanalys Funktionsanalys Beskrivning K/Ö, Vikt (1-5) Kommentar

Huvudfunktion 1 - Spårbarhet: Dokumentera pulvrets förflyttning genom processen

Delfunkt-ion 1.1

Mäta insatt pulvermängd till

ma-skin K

Delfunkt-ion 1.2 Mäta kvarstående icke-processad pulvermängd efter bygge K

Delfunkt-ion 1.3 Mäta mängd återvunnet pulver från PRS K

Delfunkt-ion 1.4 Mäta individuella hopprars pulver-mängd K Huvudfunktion 2 - Förbättrad pulverhantering

Delfunkt-ion 2.1 Fylla hopprar K

Delfunkt-ion 2.2 Tömma hopprar K

Delfunkt-ion 2.3 Flytta pulver mellan behållare K

Delfunkt-ion 2.4 Homogenisera pulver K

250 kg, Även kunna tillföra pulver under processen

4.3.3 Identifiering av behovsområden

De två behovsområden som kunde identifieras presenteras nedan Behovsområde 1: Flytta och väga pulver

Definieringen av detta behovsområde syftar till att undersöka lösnings-rymden för alla möjliga sätta att flytta och väga pulver.

Behovsområde 2: Blanda pulver

Att definiera området på ett lösningsoberoende sätt syftar till att samla kreativa lösningar för att blanda pulver, vilka sedan kan användas till koncept.

4.3.4 Generering av dellösningar

Vid brainstormingsessionen samlades dellösningar genom att de skrevs upp på en whiteboardtavla under aktiviteten. Dellösningar som tagits fram av resterande metoder samlades i en tabell. Bland de dellösningar som tagits fram genom de systematiska och kreativa metoderna kunde ett stort antal direkt elimineras då de stred mot krav eller inte kunde an-ses vara realiserbara i detta projekt.

4.3.5 Morfologisk matris

De dellösningar som ansågs vara mer lovande och realiserbara samlades i en morfologisk matris som användes för att sätta samman totalkoncept, se Tabell 5. Genom att kombinera lösningar för de olika delfunktionerna kunde huvudfunktionerna uppfyllas i olika totalkoncept. I vissa fall kunde en dellösning uppfylla flera funktioner och då har cellerna i matri-sen sammanfogats.

Tabell 5: Morfologisk matris där lösningarna till delfunktionerna samlades för att underlätta konceptgenereringen

Delfunktioner

Spårbarhet 1.1 Insatt pulvermängd 1.2 Kvarstående pulvermängd

1.3 Återvunnen

pulvermängd 1.4 Individuell hopperpulver-mängd

Lösningar Upphängning av hopper i lastcell Väg PRS20 innan

siktning Väg en i taget Ställ hoppern på en lastcell Sikten får inbyggd

våg Väg två samtidigt Väg pulver i vågskål och fyll hoppern Töm hoppern i en vågskål Töm i homogeniserings-maskin som kan väga innehållet Töm i vågskål à tarera àupprepa Väg pulverbehållare kontinuerligt. Töm innehåll i två separata vågskålar Töm genom en vågstation Töm i två separata vågskålar. Delfunktioner

Hantering 2.1 Fylla hopprar 2.2 Tömma hopprar 2.3 Flytta pulver 2.4 homo-genisering

Lösningar Flytta fyllnings-behållare mellan hopprar Botten-tömning ner i behållare utan trolley Transportera med

vakuumsug Rulla tunna på rullar (SLS varianten) En fyllnings-behållare med två rör och huvudventil Botten-tömning ner i behållare med trolley

Tippa och hälla Mixerstav. KitchenAid

4.3.6 Konceptgenerering

Utifrån den morfologiska matrisen skapades sex koncept genom att mar-kera dellösningarna med färgade prickar där varje koncept gavs en spe-cifik färg. Dessa koncept benämndes sedan utifrån den färg som använ-des och använ-dess dellösningar kan ses i bilaga 7. Nedan beskrivs de olika kon-cepten

Koncept Blå

Detta koncept bygger på en ställning med två vägningsmoduler som kan röra sig i sidled för att passa både Q10 och Q20, se Figur 13. Varje väg-ningsmodul är upphängd i en s-lastcell för vägning. Homogenisering sker genom en tunna som placeras på roterande hjul, vilket får tunnan och dess innehåll att rotera. Tunnan kan sedan användas för att fylla på hopprar ovanifrån.

Figur 13: Koncept blå bygger på en ställning med två vägningsmoduler och en liggande tunna för homogenisering

Koncept Orange

Detta koncept bygger på två bäddar som formats för att kunna hålla Q20 hopprar. Dessa bäddar är placerade på varsin lastcell, som i sin tur är placerad på en räls som gör det möjligt att justera avståndet mellan bäd-darna, se Figur 14. Genom att använda en adapter kan bäddarna använ-das till att väga Q10 hopprar, se Figur 15. För homogenisering används en befintlig lösning som kallas ”drum hoop mixer” och består av en tunna som fästs diagonalt i ringar som står på ett rullband.

Koncept Gul

Detta koncept har samma typ av vågställning som koncept blå men sak-nar överdelen av ställningen. Homogeniseringen sker genom en avtagbar roterande form med ventil undertill för tömning ner i hopprar samt ett stort lock för att tömma hopprarna i homogeniseringsbehållaren, se Figur 16

Figur 16: Koncept Gul, en avtagbar roterande form används till homogenisering av pulvret och en vågställning används för hoppervägning.

Koncept Grön

Detta koncept särskiljer sig för övriga koncept med en separat vågskål där all vägning sker, se Figur 17. Den stora vågskålen har försetts med lastceller längst dess långsidor. Homogenisering sker genom att en stor roterande skruv lyfter upp pulvret i mitten och får övrigt pulver att röra sig mot mitten. Efter homogenisering kan hopprarna fyllas genom en ventil i vågskålens botten.

Figur 17: Koncept Grön, en stor separat vågskål används till all vägning. En roterande skruv används för att homogenisera pulvret.

Koncept Röd

Koncept röd är anpassat för att ta liten plats och löser vägningsfunktionen genom en enskild vågställning placerad på en bordsvåg där en hopper kan vägas åt gången, se Figur 18. Homogenisering sker genom en lång behållare som roterar kring en horisontell axel. Denna behållare fylls och töms med hjälp av en tratt. Homogeniseringsbehållaren är även upp-hängd i lastceller för att kunna mäta mängden återvunnet pulver.

Figur 18: Koncept Röd, en liten ställning är placerad på en bordsvåg för vägning av en hopper åt gången. Homogeniseringslösningen består av en roterande behållare

som fylls och töms med hjälp av en tratt. Koncept Grå

Koncept grå bygger på en mindre vågstation bestående av en räls som försetts med två ställningar där hopprar kan hängas upp, se Figur 19. Varje ställning är sammankopplad till rälsen med en lastcell för vägning av hoppern. Homogeniseringen i detta koncept är tänkt att ske med hjälp av en betongblandare av frifallstyp som är måttsatt för att passa pulver-mängden och möjliggöra fyllning och tömning av hopprar.

4.4

Konceptval

4.4.1 Eliminering av koncept

Vid elimineringsmatrisen kunde koncept grön elimineras eftersom samtliga krav inte uppfylldes. Resterande koncept fick beslutet att mer information krävdes för att kunna gå vidare med lösningen.

4.4.2 Informationsinsamling

Informationsinsamlingen som beskrivs i avsnitt 3.4.3 visade att kompati-biliteten med de två befintliga trolleys i maskinparken utgjorde ett mer begränsande krav än väntat. För att hopprar ska kunna placeras både ovanför och under en homogeniseringsbehållare får denna ha en maxi-mal höjd på omkring 720 mm. I Figur 20 visas en skiss på dessa dimens-ioner.

Figur 20: Skiss av de begränsande dimensionerna för trolley-kompatibilitet 4.4.3 Utveckling och uppdelning av koncept

Då mer information hämtats gjordes justeringar av de olika koncepten vilket resulterade i fem vägningskoncept (V1 – V5) och sex homogenise-ringskoncept (H1 – H6). Dessa delkoncept uppfattades vara till stor del oberoende av varandra och antogs kunna kombineras med varandra till ett totalkoncept. Koncepten beskrivs och visualiseras med skisser i bilaga 3.

4.4.4 Pughs relativa beslutsmatriser

Genom att dela in koncepten för vägning respektive homogenisering kunde det bästa vägningskonceptet respektive homogeniseringskoncep-tet fastställas. I Tabell 6 och Tabell 7 redovisas sammanställningar av re-sultatet från de olika beslutsmatriserna.

Tabell 6: Resultatsammanställning av vägningskonceptens relativa beslutsmatriser

Resultat för vägningskoncept

Omgång Referenskoncept Poäng

V1 V2 V3 V4 V5 1 V1 25 -1 25 -3 2 V2 -25 -15 7 -1 3 V4 -29 -7 -16 -10 Total -54 18 -32 32 -14 Vinnare V4

Tabell 7: Resultatsammanställning av homogeniseringskonceptens relativa beslutsmatriser

Resultat för homogeniseringskoncept

Omgång Referenskoncept Poäng

H1 H2 H3 H4 H5 H6 1 H1 5 20 8 20 19 2 H3 -20 -12 2 2 2 3 H4 -8 -10 -2 14 -4 4 H5 -24 -10 -2 -14 -7 Total -52 -27 16 -4 36 10 Vinnare H5

ring och en snabb implementering i produktionen. Homogeniseringskon-cept H3 och H5 ansågs båda vara lovande och valdes ut för fortsatt reali-sering.

4.5

Detaljkonstruktion

4.5.1 Utvärdering och förfining, iterationssteg 1

Nedan visas de koncept som presenterades för nyckelintressenterna samt de förändringar som utförts för koncepten. I denna fas var vägningskon-cepten och homogeniseringskonvägningskon-cepten fortfarande åtskilda och genom-gick en iterationsprocess var för sig.

Vägningskoncept 5 – Enkel våg

Utifrån den dialog som förts med AIM var denna lösning tilltalande på grund av dess enkelhet. Därför togs överdelen som syftade till att väga Q20 hopprar bort och ersattes av en enskild enhet som kan hänga upp både Q10 och Q20 hopprar, se Figur 21. Upphängningen är fäst i en så kallad s-lastcell som registrerar dragande belastning. I diskussioner kom konceptet att börja kallas ”enkel våg”.

Figur 21: Vägningskoncept 5 består av en bur i aluminiumprofiler försedd en S-lastcell och skenor anpassade för att hänga upp Q10 samt Q20 hopprar.

Vid presentation för intressenter identifierades olika problem med kon-ceptet vilka listas tillsammans med olika lösningsförslag i Tabell 8.

Tabell 8: Identifierade problem och lösningar för vägningskoncept 5 – ”enkel våg” identifierade i iteration 1

Identifierade problem Lösningsförslag Skenor inte utformade för att hänga

upp både vänster- och höger hopprar av båda typer

- Förse ställning med hjul så den kan roteras för att kunna föra in höger- och vänsterhopprar från samma håll

- Använd två spegelvända enheter - Utforma skenor för att passa både

vänster och höger-hopper Lastcell kan ta skada då snäv passform

gör att hoppern krockar med skenor vid upphängning

- Byt ut s-lastcell mot 4 stycken ma-skinfötter av shear-beamlastceller som klarar snedbelastningar - Större spel vid skenor som minskar

risken för krock Låg placering gör det tidskrävande att

Utifrån de identifierade problemen kunde nödvändiga förändringar ge-nomföras för konceptet. Dessa listas i Tabell 9.

Tabell 9: Genomförda förändringar för vägningskoncept 5 - "enkel våg" i iterationssteg 1

Genomförda förändringar Motivering till val En ytterligare enhet av ”enkel våg” lades

till och placerades på en guide som tillå-ter rörelse i sidled för att passa både Q10 och Q20 hoppers

Denna lösning sågs som en stor tidsbe-sparing i processen med en relativt låg in-vestering.

Större spel i skenor Minskar risken för att krocka med trolley i upphängning.

Hjul togs bort och ställningen blev

stat-ionär Då man inte längre har behovet av att ro-tera ställningen kan hjulen tas bort Enheterna ställdes på ett skrivbord med

hopperförvaring under bordsskivan

Detta löste både höjdproblemet och gjorde plats för förvaring samt möjlighet att bygga in arbetsbänk.

Vägningskoncept 4 - Rälsvåg

Detta koncept bygger på att hopprarna kan hängas på en räls med hjälp av två upphängningsvagnar och förflyttas sidledes, se Figur 22. I ett avsnitt av rälsen finns ett rektangulärt urtag som passar en single-point lastcell. Då upphängningsvagnen rullar över på den platta som hålls upp enbart av lastcellen registreras den töjning som uppstår i cellen och väger på så sätt behållaren.

Figur 22: Renderad bild av vägningskoncept 4 som består av en räls där ett avsnitt ersatts av en lastcell. Då vagnens hjul vilar på lastcellens platta sker en kontinuerlig

Vid presentation för intressenter identifierades olika problem med kon-ceptet vilka listas tillsammans med olika lösningsförslag i Tabell 10 ne-dan.

Tabell 10: Identifierade problem och lösningar för vägningskoncept 4 - "Rälsvåg" identifierade i iteration 1

Identifierade problem Lösningsförslag Rälsen kan få en utböjning vid urtaget

vilket kan ge missvisande vägningsresul-tat

- Säkerställ att ett material med hög hållfasthet används för att minimera utböjningen

- Öka tjocklek på räls - Minska längden på räls Inget som hindrar vagnarna från att rulla

iväg och krocka i varandra eller den om-givande ställningen

- Förse kullager med gummihjul för högre friktion

- Förse rälsen med ”stopp” på givna positioner

I Tabell 11 redovisas de genomförda förändringarna för konceptet Rälsvåg samt motivering till dessa.

Tabell 11: Genomförda förändringar för ”Rälsvåg” samt motiveringar i iterationssteg 1

Genomförda förändringar Motivering Räls förses med hål för låsning av

vag-narna i givna positioner Enklare manövrering och säkerhet Ökad höjd på räls till 190 mm Minskad nedböjning

Homogeniseringskoncept 3 - Cylinderblandaren

Detta koncept har under konceptgenereringen även fått namnet ”cylinderblandaren” på grund av dess cylinderformade behållare, se Figur 23. Locket är avtagbart för att enkelt kunna tömma hopprar i den. Nertill finns ventil för att kunna fylla hopprar efter avslutad

homogenisering. Dimensioneringen har styrts av att maximera volymen medan samtidigt kunna placera hopprar ovanför respektive under cylindern.

Grov volymberäkning:

Pulvret som används har en synbar densitet på 2,59 kg/dm3 _[23]. 𝑉!"#$%&'( = 𝜋𝑟)ℎ = 302,68 𝑑𝑚*

𝑉+,#-'( =

250𝑘𝑔

2,59 𝑘𝑔/𝑑𝑚* = 96,5𝑑𝑚*

Cylindern har kapats vid 0,5649ℎ vilket ger cylinderns underdel en vo-lym på

0,5649 ∗ 302,65 ≈ 170 𝑑𝑚*

Pulvret tar således upp ./,1₂₃₄ ≈ 56% av cylinderns underdel.

Vid presentation för intressenter identifierades olika problem med kon-ceptet vilka listas tillsammans de genomförda åtgärderna i Tabell 12 ne-dan.

Tabell 12: Identifierade problem och lösningar för homogeniseringskoncept 3 - "cylinderblandare" identifierade i iteration 1

Identifierade problem Åtgärder För enklare montering med tillverkarens

profiler bör stagen på sidorna vara verti-kala istället för inåt lutande.

Stagen görs vertikala med bibehållna mått

För högre hållfasthet bör axeln placeras ovanpå ett stag snarare än genomborra ett stag

Placera axeln ovanpå en profil istället.

Konstruktionen under blandaren gör att man inte kan rulla in en förvaringstunna på hjul för påfyllnad

Ta bort främre staget så man kan rulla in en tunna under blandaren

Homogeniseringskoncept 5 – ”betongblandaren”

Detta koncept har kommit att kallas för betongblandaren eller cement-blandaren på grund av dess likheter med dessa produkter, se Figur 24. Tunnan roterar runt en axel undertill och kan vinklas i olika lägen för antingen homogenisering eller tömning av dess innehåll.

Efter diskussion med tillverkare som jämfört de olika homogenise-ringskoncepten stod det klart att detta koncept kommer att bli dyrare att tillverka, vilket gjorde att konceptet eliminerades och arbetet med dess detaljkonstruktion upphörde.

Figur 24 Homogeniseringskoncept 5 liknar på många sätt en betongblandare. Den är försedd med ett lock för enkel fyllning och kan vändas upp och ned för tömning. Ny behållare för siktat pulver – Reuse-behållare

Vid diskussioner med AIM framkom det att en ny behållare typ av behållare var nödvändig för att på ett enklare sätt väga det ELI-pulver som tillsätts i processen. Denna kunde med fördel kombineras med lösningen för att väga det siktade pulvret. Behållaren utformades för att kunna placeras på den befintliga vågen i produktionslokalerna. Den skulle även kunna lyftas med Q20 trolleyn och tömmas med en ventil undertill. Placeringen för behållaren skulle vara under den befintliga sikten. Första iterationen av Reuse-behållare visas i Figur 25 nedan.

4.5.2 FMEA-analys

I Tabell 13 beskrivs de identifierade felmöjligheterna från FMEA av de samtliga koncept samt de rekommenderade åtgärderna. Den fullständiga analysen finns i bilaga 5.

Tabell 13: FMEA för konstruktion

Komponent Felmöjlighet Åtgärd

Cylinder Går sönder Ökar tjocklek på gods till 3 mm

Cylinder Pulverläckage Smart tätning

Excenterlås av hög kvalitet Cylinder Person eller annat föremål

står i vägen för cylindern och resulterar i skadade komponenter

Omslut cylindern i bur som måste vara stängd för att sätta igång maskinen

Upphängningsvagn Vagn rullar iväg och krockar med annat föremål på rälsen

Högre friktion på hjul samt stopp på rälsen i form av borrade hål med fjäderbe-lastad sprint

4.5.3 Utvärdering och förfining, iterationssteg 2

Inför det andra iterationssteget sattes koncepten samman till två totalkon-cept. Då homogeniseringskoncept H5 inte längre var aktuellt byggde båda totalkoncept på homogeniseringslösning H3 med inbyggda funkt-ioner för vägningskoncept V4 respektive V5.

Totalkoncept 1– Enkel våg

I detta totalkoncept kombinerades vägningslösningen ”enkel våg” med ”cylinderblandaren”. Vägningsburarna ställdes på ett bord för enklare hantering av operatörer. Med hjälp av en linjär guideskena kan avståndet mellan burarna justeras för att väga Q10 respektive Q20 hopprar. Under bordsskivan finns krokar för förvaring av Q20 hopprar. En liten skrivbordsyta bibehålls för efterbearbetning av tillverkade produkter. Under sikten står den behållare som fått namnet ”Reuse-behållare” som har en ventil undertill för tömning ner i cylindern för homogenisering. Konceptet visualiseras i Figur 26.

Totalkoncept 2 - Rälsvågen

Det andra totalkonceptet är en kombination av rälsvågen och cylinderblandaren. Rälsen har placerats ovanpå blandaren och tillåter hopprarna att vägas på rälsen och sedan transporteras på rälsen till platsen för tömning. I denna visualisering finns två lastceller vilket ger två vägningspunkter. Lastcellen till vänster lämpar sig för att väga hopprarna innan de förs in i maskinen medan den andra vägningspunkten lämpar sig för att väga hopprar just innan de töms i homogeniseringsbehållaren, se Figur 27. En fördel med Rälsvågen är att man får ett arbetsmoment mindre i processen, då man slipper använda trolleyn för att föra hopprarna från vägning till homogenisering.

I det andra iterationssteget identifierades problem och de åtgärder som utfördes för att lösa dessa i Tabell 14. Dessa behandlade även Reuse-be-hållaren och cylindern, se Figur 28 och Figur 29.

Tabell 14: Identifierade problem och utförda åtgärder i iterationssteg 2 Nr. Identifierade problem Åtgärder

Enkel våg 1 Ramen på vågburarna är i vägen för

Q10 trolley och gör att hopprarna inte hamnar centrerat under lastcell

Flytta främre stagen på ramen bakåt för att komma längre in med hopprar

Rälsvåg 2 Ett rör nära taket i

produktionsloka-lerna kan omöjliggöra installationen på avsedd plats

Stativets utformning justerades för att ge plats åt röret

3 Ställningen tar mycket stor plats Avdelningen för hoppervägning görs något mindre.

Reuse - behållare 4 Reuse-behållare för låg för att lyftas

med Q20 hopper

Tunnan förses med krokar som kan fällas upp. Den kan då behålla samma storlek men ändå lyftas med Q20 trol-ley

Cylinder 5 Ej ergonomiskt att för operatören lyfta

av locket på tunnan Sätt på fästen för att kunna lyfta locket med Q20 trolley, se Figur 29 6 Risk för pulverläckage på cylinder Plåtkanter på in- och utsida som

tät-Figur 28: De nya krokarna på Reuse-behållaren, åtgärd nummer 4 enligt Tabell 14.

Figur 29: Cylindern i genomskärning och dess genomförda förändringar enligt Tabell 14.