Examensarbete
Maskiningenjör 180hp
Konstruktionsoptimering av teknisk utrustning
Maskinteknik 15hp
Halmstad 2021-05-20
Robert Svensson och Simon Rydberg
i
Förord
Denna rapport är resultatet av ett examensarbete på kandidatnivå med omfattning av 15hp på Maskiningenjörsprogrammet på Högskolan i Halmstad.
Stort tack till Petra och Anders på företag X som visat stort förtroende i vårt examensarbete.
Stort tack till Lina Lundgren för hjälp med tilldelad teknisk utrustning och snabb feedback.
Sammanfattning
Detta examensarbete handlar om konstruktionsoptimering av en ny och innovativ teknisk produkt som riskerar att skadas då användaren av misstag tappar
produkten. Arbetet belyser tidigare studier där dropptester utförts för att insamla kunskap inför viktiga moment i detta arbete. Dropptest av produkten genomfördes och data samlades in med hjälp av accelerometer och höghastighetskamera.
Insamlad data presenteras i olika grafer och beräkningar som beskriver sammanstötningsförloppet. Lösningsförslag genereras med CAD programmet Catia V5, sedan simulerades lösningsförslagen i programmet abaqus/explicit efter samma principer och förhållanden som utfört dropptest visade. Genomförda simuleringar verifierades med hjälp av insamlad data. Projektgruppen presenterar olika koncept av lösningsförslag till företag X genom olika exempel på
konstruktiva lösningar eller förslag till byte av befintligt produktmaterial. Under projektets gång uppstod en del svårigheter i de olika delarna av studien, dessa diskuterades i studiens resultat- och metoddiskussion. Avslutningsvis tas konstruktionsoptimeringens inverkan på sociala, ekonomiska och miljömässiga aspekter i anseende.
Abstract
This thesis is about design optimization of a new and innovative technical product that risks being damaged when the user accidentally drops the product. The work illustrates previous studies where drop tests have been performed to gather knowledge before introducing important stages in this work. Droptesting of the product was performed and data were collected using an accelerometer and a high-speed camera. Collected data are presented in various graphs and
calculations that describes the stages of impact. Solution proposals were generated with the CAD program Catia V5, then the solution proposals were transferred to the program abaqus/explicit were the same principles and conditions that occurred during the droptest was implemented in the simulations. Completed simulations were verified using collected data. The project group presents different concepts
ii
of solution proposals to company X through various examples of constructive solutions or proposals for replacement of existing product material. During the project, some difficulties arose in the various parts of the study, these were discussed in the study's results and method discussion. Finally, the impact of design optimization on social, economic and environmental aspects was taken into account.
iii
Innehållsförteckning
Förord i
Sammanfattning i
Abstract i
Innehållsförteckning iii
1. Inledning 1
1.1 Bakgrund 1
1.2 Syfte 1
1.3 Mål 1
1.4 Problemformulering 2
1.5 Avgränsningar 2
2. Teoretisk referensram 3
2.1 Design analysis process 3
2.1.1 Analysis planning 3
2.1.2 Solution process 3
2.2 Dropptest 3
2.2.1 Testrigg 4
Board level test 4
Mechanical shock test 4
Free fall drop test 5
2.3 Polymerer 5
2.3.1 Termoplast 5
ABS-plast 5
2.3.2 Brottegenskaper 5
Böjhållfasthet 6
Slaghållfasthet 6
2.4 Computer Aided Engineering (CAE) 6
2.4.1 Finite Element Analysis (FEA) 6
2.4.2 Computer Aided Design (CAD) 6
2.5 Grundlig teori Hållfasthet, Mekanik och Partikeldynamik 7
2.5.1 Hållfasthet 7
2.5.2 Partikeldynamik 7
iv
Lägesenergi (2.1) 7
Kinetisk energi (2.2) 7
Tröghetsmoment (2.3) 7
Vinkelhastighet (2.4) 8
2.6 Principkonstruktion 8
2.7 Produktutvecklingsprocessen 8
3. Metod 9
3.1 Dropptest 9
3.1.1 Accelerometer 9
3.1.2 Testrigg 9
3.2 Höghastighetskamera 9
3.3 Produktundersökning 10
3.3.1 Droppunderlag 10
3.3.2 Material 10
3.3.3 Förstärkningar 10
3.3.4 Prototyper 10
3.5 Konstruktionsanalys 11
3.5.1 Programvaror 11
3.5.2 Handberäkningar 11
3.5.3 Produkt 12
3.6 Flödesschema 12
3.6.1 Problemdefinition 12
3.6.2 Förstudie 12
3.6.3 Produktundersökning 13
3.6.4 Konstruktionsanalys 13
3.6.5 Dropptest 13
3.6.6 Principkonstruktion 13
3.7 Kravspecifikation 13
4. Resultat 14
4.1. Dropptest 14
4.2. Simulering 15
4.2.1 Simplifiering av geometrier 15
4.2.2 Material 15
v
4.2.3 Mesh 15
4.2.4 Simuleringsvalidering 15
4.3. Analys 16
4.3.1 ABS (Ursprungligt material) 16
4.3.2 PC/ABS 17
4.3.3 Förstärkning 1 (Med sprint) 18
5. Diskussion 20
5.0.1 Simulering 20
5.0.2 Dropptest 20
5.1. Resultatdiskussion 20
5.1.1 Accelerometer 20
5.1.2 Höghastighetskamera 21
5.1.3 Analys av insamlade data 21
5.1.4 Simulering 21
5.2. Metoddiskussion 21
5.2.1 Dropptest 21
5.2.2 Simulering 22
5.2.3 Slaghållfasthet 22
5.2.4 Produktutvecklingsprocessen 22
5.2.5 Produktmaterial 22
5.3. Sociala, ekonomiska, miljö- och arbetsmiljöaspekter 22
5.3.1 Sociala perspektivet 22
5.3.2 Ekonomiska perspektivet 23
5.3.3 Miljöperspektivet 23
5.3.4 Arbetsmiljöperspektivet 23
6. Slutsatser 24
Bilagor 29
Ordlista
FEM = Finita elementmetoden Fps = Frames per second DC = Direct Current AC = Alternating Current PCB = Printer board circuit
Subassembly = Ett kretskort och enheterna monterade därpå som bildar en enhet eller ett segment av elektrisk utrustning.
N = Newtonmeter
PDE = Partiell differentialekvation Provet = det som ska testas
Testapparat = den del där subassembly eller annan enhet är monterad på för att en subassembly eller enhet inte ska studsa.
1
1. Inledning
I detta kapitel genomförs en allmän presentation om uppdragsgivaren X följt av examensarbetets syfte, mål, avgränsningar och problemformulering. Avlutningsvis besvaras frågeställningar efter genomfört arbete.
1.1 Bakgrund
X är ett företag som säljer och tillverkar ett brett sortiment av bärbara elektroniska verktyg vars huvuduppgift är att analysera, ge mätvärden och information till den som använder den. Detta projekt är utfört på en av företagets befintliga produkter.
Vid kundens användning av produkten har det skett oavsiktliga dropp som påverkat produktens funktionalitet. Lönsamhet för både kunden och företaget påverkas negativt då detta skapar irritation hos slutanvändare vilket kan resultera i förlorade affärer. Vid allmän användning av bärbara elektroniska enheter har flertalet studier påpekat att det finns höga risker för oavsiktliga stötar (Sheng et al.
2005, Zhou et al. 2008 och Zhou et al. 2009). Vilka typer av skador som kan uppstå vid dropp av en produkt såsom läckage i vissa medicinska produkter, lödförband och sprickbildning nämns mer i studien från Sheng et al. (2005).
Tillbaka i företagets historia för denna produkt nämner X att det inte har varit någon testning, eller direkt metodik kring utvecklingen av produktens hölje. Det som utförts är främst den tekniska utvecklingen till exempel en mer effektiv analys, säkrare mätvärden och enklare användning. Företaget vill genom simuleringar se om det finns möjlighet att optimera konstruktionen för att eventuellt kunna sänka produktens vikt och samtidigt se över möjligheten att förbättra produktens hållbarhet vid oavsiktliga dropp. Detta för att kunna stärka sin ställning mot sina konkurrenter och på sikt öka sin lönsamhet.
1.2 Syfte
Reducera risken för defekta produkter vid oavsiktliga dropp vilket kan påverka företagets lönsamhet, samt att erhålla ökad förståelse för vilka belastningar som uppstår hos produkten vid oavsiktligt dropp.
1.3 Mål
Analysera produktens yttre komponenter med påverkan av inre komponenter genom ett dropptest i kombination med dynamisk hållfasthetsanalys, genom att skapa en finita element modell av produkten och sedan identifiera de svaga länkarna. Simuleringarna ska resultatera i olika konceptförslag av
produktförstärkningar till företag X.
2
1.4 Problemformulering
Detta examensarbete avser att lösa ett förekommande problem gällande
hållfastheten av elektronisk utrustning utan att det blir en påverkan på produktens yttre utformning samt inte sker någon inre påverkan på produktens komponenter.
1.5 Avgränsningar
● Examensarbetet kommer fokusera på företag Xs produkt, utformning av testrigg avgränsas från studien.
● Simulering i Simulia Abaqus/Explicit kommer endast avse spänningar, deformationer och rörelseenergi av produktens yttre skal.
● Dropptest av produkten kommer genomföras först med accelerometer och sedan utan.
● Dropptest av produkten kommer endast genomföras i en vinkelposition.
● Dropptest av produkten kommer endast genomföras mot ett
sammanstötningsmaterial, underlaget kommer innebära värsta tänkbara scenariot vid ett dropp.
● Inga toleranser anges i ritningar, endast koncept på lösningsförslag.
● Komplett måttsättning anges ej i ritningar.
● Inga handberäkningar som avser finita element kommer anges.
● Koncept för lösning baserat på resultatet kommer endast att presenteras genom analys i programmet abaqus/explicit.
3
2. Teoretisk referensram
2.1 Design analysis process
Analysmodeller kan se olika ut men har som syfte att lösa fysiska problem gällande analys och design. Det fysiska problemet brukar involvera en verklig struktur eller en strukturell komponent som utsätts för vissa belastningar.
Utförande enligt Bathe modell (1996) följs av handberäkning i kombination med simulering av FEA. Modellen är lämplig för att säkerställa att simulering och beräkning blir mer realistiska än om endast en av dessa modeller används. Syftet är att FEA ska lösa den matematiska modellen. Design analysis process kan summeras i 3 delar (Eriksson, 2015). Analysis planning, Solution Process, Results Interpretation and Communication.
2.1.1 Analysis planning
Uppdelat i 3 faser, identifiering av uppgift, beredning av kortfattat innehåll i uppgift, planering och överenskommelse om uppgiften. Kortfattat handlar det om att identifiera ett problem eller förstå vad uppgiften med projektet är och sedan utföra en planering på hur arbetet ska utföras och godkännas av projekt utgivaren, som i detta projekt är handledare på företag X.
2.1.2 Solution process
Efter analysis planning är nästa steg solution process som är uppdelat i 3 faser, förbehandling, lösning bearbetning och efterbehandling. Kortfattat handlar det om att sammanställa utförandet, göra en modell för beräkning och simulering. Sedan utföra beräkningar och simuleringar för att kunna granska framtagen beräkning och simulering och därefter utföra en sammanställning och bedömning av resultatet.
2.2 Dropptest
Dropptest är en av de vanligaste metoderna för att mäta chock responsen hos elektriska komponenter eller bärbara elektroniska enheter (Zhou et al. 2009). “As a crucial aspect of testing for many items and materials, drop testing serves as an important indicator of quality and durability” (NTS 2021). En stor majoritet av studierna till exempel Mattila et al. (2014), Karppinen et al. (2012) och Lim et al (2002) är dropptest med metoden board level test. Free fall drop test som är av hela produkten är också något som utförs av Wang et al (2006), Tempelman et al (2012) och Sheng et al. (2005) där fokus är att kunna nå repeterbarhet i ett fritt fall. Det finns tre analys svårigheter vid dropptest som bör beaktas (Zhou et al.
2008).
● Hur stor skulle den dynamiska belastningen vara för en viss produkt vid en typisk dropp påverkan, och hur kommer produkten som helhet att reagera på dropp påverkan
4
● Hur kommer fall / belastning att överföras till interna elektroniska komponenter?
● Hur reagerar typiska komponenter på fallet / påverkan?
Enligt Wu et al. (1998) är det avgörande för dropptestets repeterbarhet att få kontroll över mekanismen som styr objektets orientering i rymden före frigörandet. För insamling av data är det av stor vikt att exkludera påverkande yttre krafter som påverkar resultatet. Genom att använda flexibla trådar mellan objektet och testriggen minimeras överföringen av vibrationer. Frigörandet av objektet styrs via en dator till en elektromagnet. Wu et al. (1998) påvisar problematiken med dropptest av elektronisk utrustning, ingen kvantitativ information kunde urskiljas då testet inte kunde repeteras fullständigt, avseende produkter med stort antal ingående komponenter. Dropptest utförs oftast som en validering av en FEA.
2.2.1 Testrigg
I testriggen som ska konstrueras i detta projekt är syftet att utföra ett dropp av produkten som ska efterlikna ett oavsiktligt dropp vid användning av produkten.
Sheng et al. (2005) illustrerar hur en testrigg som är utrustad med en dropp- kontrollmekanism möjliggör att orienteringen i produktens dropp kontrolleras och ger ett testresultat som tillåter hög repeterbarhet. Även ett effektivt
datainsamlingsprogram och bearbetningssystem krävs för att kunna se vilken slagkraft, acceleration och belastning som produkten utsätts för. Beroende på vad som ska undersökas finns det många alternativa tester som kan genomföras på olika sätt och ger olika resultat. Testerna som nämns nedan är tester som kan användas vid undersökning av hållbarheten på elektroniskt handhållna produkter.
Utformningen av olika testriggar kan ses i bilaga 7 och 8.
Board level test
Board level test syftar till att testa kretskortets uthållighet och styrka. Testet används när överskotts kraft skapar en böjning av kretskortet där resultatet av böjningen får produkten att sluta fungera. Metoden är avsedd till att bedöma och jämföra olika elektroniskt ytmonterade komponenter till kretskortet (JEDEC, 2003). Utförandet går till att kretskort monteras fast i ett block, där blocket droppas från 1.5 m längs två vägledande stänger (Tee, 2004).
Mechanical shock test
Mechanical shock test används för att analysera kompabiliteten på enheter och subassembly vid allvarliga stötar som kan ske vid användning eller transport.
Testet är destruktivt och är avsett för enhetskvalicifiering. Testet av enheten eller subassembly utförs på två sätt, i fritt tillstånd och i monterat tillstånd. Fritt tillstånd är när enheten eller subassemblyn sitter fast på testapparaten så att den fullständiga chocken överförs till enheten eller subassemblyn. Vid monterat tillstånd är enheten eller subassemblyn monterad på testapparaten utifrån
5
användningsvillkoren där görs försök för att uppnå en böjning som resultat av en mekanisk chock (JEDEC, 2013).
Free fall drop test
Free fall drop test är ett test som syftar till att utföra ett oavsiktligt dropp. Metoden har svårigheter att uppnå repeterbarhet då orienteringen kan vara svår att
kontrollera (Zhou et al., 2008). I två studier av Sheng et al. (2005) samt
Tempelman et al (2012) testas denna metod med en mer kontrollerad mekanism där det går styra kontaktvinkeln för produktens fall i dropptestet.
2.3 Polymerer
Polymerer är ett syntetiskt eller organiskt ämne som består av kedjeformade molekyler som i sin tur är uppbyggda av ett större antal mindre molekyler (Leijon
& Bellander, 2013). Polymerer framställs genom polymerisation, i
framställningen skiljs syntetiska och organiska polymerer. Syntetiska polymerer används i material som plaster, elaster och bindemedel (Wagner, 2017). Förutom en eller flera polymerer innehåller dessa material också tillsatsämnen av olika slag som förbättrar materialets egenskaper, vilket beror på materialets kedjestruktur.
2.3.1 Termoplast
Termoplaster är en av de vanligaste typerna av plast som används och delas in i amorfa och delkristallina. Plaster som är amorfa har egenskaper som god
formåtergivning, god ytfinish, måttnoggrannhet och låg formkrympning. Amorfa plaster har ingen tydlig smältpunkt, vilket gör att de mjuknar gradvis och gör det enklare att formblåsa eller vakuumforma. Delkristallina har i stort sett motsatta egenskaper, men uppvisar goda termiska egenskaper (Leijon & Bellander, 2013).
ABS-plast
ABS (Akrylnitril-butadien-styren) ingår i amorfa termoplaster, det innebär att uppbyggnaden är oregelbunden, den är transparent i sitt grundtillstånd, men även att den kännetecknas av god slagseghet och ythårdhet. Egenskaperna hos ABS varierar beroende på halten av de ingående monomererna (akrylnitril, butadien och styren) (Leijon & Bellander, 2013). Akrylnitrilen förbättrar hållfastheten och butadien ökar segheten. En blandning med PC (polykarbonat) ökar materialets slagtålighet. Enligt (Naturskyddsföreningen, 2021) har ABS-plast ett stort användningsområde i till exempel höljen till hushållsapparater men även telefoner, skal på gräsklippare, skyddshjälmar och ibland plastdetaljer i bilens interiör och exteriör som är i ABS-plast.
2.3.2 Brottegenskaper
Vid stora deformationer uppträder flytning, midjebildning, delskador som resulterar i små hålrum, små trådliknande strukturer och till slut brott. Viktiga begrepp för just brottegenskaper är seghet/duktilitet och sprödhet.
6 Böjhållfasthet
Är likt draghållfasthet där brottgräns, sträckgräns och modul endast anges för böjning. Istället för att provmaterialet dras isär, utsätts materialet för en
punktbelastning där böjning av provmaterialet analyseras. Detta genomförs för att kunna bedöma böjningens inverkan på materialets egenskaper (Leijon &
Bellander, 2013) Slaghållfasthet
Är ett mått på materialets förmåga att motstå slag och stötar. Detta är något som varierar bland olika material. Polykarbonat är väldigt starkt i förhållande till andra termoplaster. Vid prioritering av slagseghet medför det konsekvenser som att plasten blir mer temperaturkänslig och spröd i kyla. Provets geometriska faktorer och ökad tjocklek kan även framkalla sprödhet. En förståelse för materialets egenskaper är något som kan vara svårt att bedöma enbart utifrån materialdata. Ett fallslagsprov, är ett prov, där en sfärisk kropp sammanstöter mot en platta, som sedan kan uppvisa plastens svagheter (Leijon & Bellander, 2013).
2.4 Computer Aided Engineering (CAE)
2.4.1 Finite Element Analysis (FEA)
FEA är en numerisk teknik som används för att finna approximativa lösningar av PDE samt integrerade ekvationer av geometrier där olika belastningar uppstår (Vinodh et al., 2010). Modellering och simulering är metoder som sedan länge format industriell design och produktionsprocesser. Denna tekniken har medfört möjligheten att utföra experiment av virtuella produkter eller förändringar av produktens utformning redan i ett tidigt skede av produktutvecklingsprocessen, innan den första fysiska prototypen tillverkas (Pelliccia et al., 2021).
2.4.2 Computer Aided Design (CAD)
Ett datorbaserat modelleringsverktyg för utformning av modeller i två- eller tre dimensioner (Olatunji & Sher, 2015). CAD kan definieras som användning av datorsystem för skapande, modifiering, analys eller optimering av en
produktutformning (Groover & Zimmers, 1984). CAD ger utformaren möjlighet att visualisera en produkt och dess beståndsdelar, detta kan leda till snabbare produktutvecklingsprocesser (Lalit et al., 2008). Chang (2014) menar att enbart skapa koncept med hjälp av CAD kan däremot förlänga
produktutvecklingsprocessen avsevärt, då människan tenderar att tänka fortare än vad det är möjligt för någon att modellera i 3D. CAD är en av de huvudsakliga arbetsverktygen som ingenjören använder (Kolbasin & Husu, 2018).
7
2.5 Grundlig teori Hållfasthet, Mekanik och Partikeldynamik
2.5.1 Hållfasthet
Ett stötdämpande material är viktigt vid framtagning av en slagtålig struktur.
Sawai et al. (2012) visar genom sin forskningsartikel av en stöttålig sensornod att deformationstiden för sammanbrottet och massan av utrustningen är en funktion av kraften som uppstår, genom att finna en lösning för att förlänga
deformationstiden för sammanbrottet, reduceras kraften från stöten. Wali et al.
(2011) visar ett dropptest av två solida kulor i samma material med olika radier, kulornas storlek påverkar inbromsningen och kraften genom fördelad träffyta.
Inbromsning vid en kollision resulterar i olika typer av spänningar, beroende på materialets egenskaper och geometri.
2.5.2 Partikeldynamik
Dropptest innefattas av ett antal energiomvandlingar. Ett objekt som frigörs från en viss höjd innehar till en början en potentiell energi. När objektet stöter emot träffytan, skapas en kollisionspuls bestående av en specifik acceleration och pulsvaraktighet (Luan et al., 2003). Teoretisk hastighet före sammanstötning kan relateras till objektets höjd och tyngdacceleration, som i detta projekt
approximeras till 9.82m/s². Mekaniska impulser kan analyseras enligt två metoder, bevarande av rörelsemängd eller med restitutionskoefficienten (Grimshaw, 2006).
𝐸 𝑚𝑔ℎ (2.1) 𝐸 (2.2) 𝐼 𝑟 𝑑𝑚 (2.3) 𝜔 ∆∆ (2.4)
Lägesenergi (2.1)
En kropp med massan m höjs till höjden h från jordens yta, i denna process utförs arbete mot gravitationens kraft (mg) där g är tyngdaccelerationen. Detta arbete lagras i kroppen i form av lägesenergi (Ep) (Shukla & Srivastava, 2006).
Kinetisk energi (2.2)
Kinetisk energi (Ek) är ett mått av en kropp i rörelse, med halva massan m och hastigheten i kvadrat (v²), detta medför att hastigheten har större påverkan än massan för resultanten av den kinetiska energin (Shukla & Srivastava, 2006).
Tröghetsmoment (2.3)
Oförmågan av en kropp att förändra dess stadie i vila eller i linjär rörelse, är en naturlig egenskap av materia och kallas tröghetsmoment (I). Större massa av en kropp innebär större motståndskraft mot förändringar, som rörelse av en kropp i vila eller ändrad riktning av en kropp i linjär rörelse. Massa används som mått för
8
tröghetsmoment i linjära eller translationella rörelser, r anger radie från given rotationsaxel till varje dm (integrering med avseende på m), (Shukla & Srivastava, 2006). Δ betecknar skillnaden mellan två värden.
Vinkelhastighet (2.4)
Ett mått för vinkelhastighet ω där vinkeln θ i radiander och t för tid i sekunder (Shukla & Srivastava, 2006).
2.6 Principkonstruktion
Principkonstruktion är den del av konstruktionsprocessen framtagen av Fredy Olsson (1995). Arbetet med denna metod har som syfte att åstadkomma en principiell teknisk produkt- eller principlösning alternativt ett lösningskoncept.
Utförandet består av produktdefinition, produktundersökning, uppställning av kriterier, framtagning av produktförslag, utvärdering av produktförslag och presentation av valt produktförslag.
2.7 Produktutvecklingsprocessen
En produktutvecklingsprocess är en sekvens av steg eller aktiviteter som används för att utforma, designa och kommersialisera en produkt. Det kan variera bland organisationer, vissa definierar och följer exakt en utvecklingsprocess (Ulrich &
Eppinger, 2012). Tre funktioner som är centralt för produktutvecklingsprojekt är följande:
Marknadsföring - Marknadsföring kan vara ett underlättande moment för att förstå en produkts möjligheter, definitionen av marknadsegment och identifiering av kundbehov, men också ge en bättre kommunikation mellan företag och kund för att nå gemensamma mål för produkten.
Design - Design spelar huvudroll i att definiera hur den fysiska formen av produkten för att tillgodose kundens behov. Detta inkluderar teknisk design som utveckling av mekaniska-, elektriska- och programvaruegenskaper.
Tillverkning - Tillverkningen är ansvaret för design, drift och samordning i produktion för att producera produkten.
I detta projekt kommer design funktionen vara mest tillämpad samt bearbetas genom ett generellt problemlösande. Andreasen (1987) förklarar
produktutvecklingens helhet enligt följande ordning: Formulera problemet, bestäm kriterierna, sök lösningar, utvärdera/välja och fullgöra. Tillverknings- och Marknadsföringsfunktionerna är inget som kommer fokuseras i arbetet, men finns som anmärkningar i projektet.
9
3. Metod
3.1 Dropptest
Eftersom endast analys med matematisk modell och FEA ger en inblick kan det fysiska problemet inte identifieras exakt. Därför görs även ett dropptest för att göra en reell bedömning av produkten vid utsatthet med slagkraft och belastning.
3.1.1 Accelerometer
För att undersöka produktens kraftiga deceleration vid stöten mot träffytan, behövs lämpliga instrument för snabba hastighetsförändringar. I detta projekt kommer vi använda oss av en piezoelektrisk accelerometer, denna sensor består av en piezoelektrisk kristall, en seismisk massa och mätelektroder. Om ett
material är piezoelektriskt och utsätts för yttre mekaniskt tryck, uppstår elektriska laddningar på dess yta. Placeras däremot materialet i ett elektriskt fält, kommer materialet att deformeras (Korobiichuk et al., 2018). Denna princip möjliggör mätning av acceleration med hjälp av Newtons första lag.
3.1.2 Testrigg
En stabil testrigg behövdes för att möjliggöra ett kontrollerat dropptest. Då endast ett dropp av företagets produkt skulle genomföras, konstruerades testriggen av granreglar. När droppet skulle genomföras, behövdes en mekanism som inte påverkade släppet av produkten, projektgruppen valde att använda bomullssnöre som sammankoppling till en elektromagnet, för att minimera överföring av yttre krafter till produkten. Elektromagneten som användes var en ”Elomek Typ 710 24V DC”, med en hållkraft av 650N, som försågs med elektricitet från en strömadapter av typen ”Philips ADPC 1965 19V DC”. När droppet skulle ske, bröts strömtillförseln till elektromagneten.
3.2 Höghastighetskamera
För att undersöka sammanstötningen mellan produkten och underlaget behövdes en höghastighetskamera med hög bildfrekvens, för att kunna fånga
händelseförloppet i detalj. Det mest kostnadseffektiva valet för projektet var en mobiltelefon (Huawei P40 Pro) som kan filma i hög upplösning (720p) vid 7680fps. Inspelning med 48fps krävs dubbel ljusmängd, om 24fps antas som standardbildfrekvens vid godtycklig ljusmängd, därefter måste ljusmängden dubblas vid varje bildfrekvensdubbling. Det gör att inspelning vid 7680fps kräver cirka 8 gånger mer ljusmängd. För att tillsätta rätt ljus till händelseförloppet används en ljuskälla driven av likström (DC), detta för att undvika elnätets frekvens (AC) som kan skapa ett blinkande fenomen vid inspelningen.
10
3.3 Produktundersökning
3.3.1 Droppunderlag
Produkten används i mängder av olika miljöer vilket innebär att det finns olika typer av underlag i dessa miljöer. Detta dropptest ska visa på värsta tänkbara scenariot vilket kommer innebära att produkten kommer utsättas för ett hårt underlag, som möjliggör för kontroll av hur produkten påverkas vid en hög belastning vid sammanstötning med underlaget.
Företaget har informerat om vilka olika miljöer som produkten används inom.
Arbetsmiljön och pris påverkar vad för typ av golv som väljs, därav finns olika material produkten slår i vid oavsiktligt dropp. Olika typer som används Lyxig vinylplatta, Ark vinyl, vinyl kompositions kakel, Gummi och Linoleum
(Continental Flooring Company, 2021). Produkten används också utomhus vilket gör att material som asfalt, betong med väldigt hög elasticitetsmodul måste beaktas vilket innebär större impuls kraft i produkten vid oavsiktligt dropp. För att få fram svagheterna hos produkten och kalkylera de största skadorna som kan ske på produkten för att skapa en bättre förutsättning för användningen av produkten inomhus och utomhus. Val av material för dropptest är en jämn skiva av lavasten som vilar mot ett betonggolv, i simuleringen anges ett “analytical rigid” som motsvarar ett oändligt stumt material.
3.3.2 Material
Materialet i den befintliga produkten kommer ses över för att senare kontrollera andra möjliga sammansättningar för ABS, som kan användas för att kunna stärka produkten. Alternativt kontrollera om det finns andra material som kan vara aktuella att använda för att stärka produktens konstruktion.
3.3.3 Förstärkningar
Att undersöka skador hos liknande produkter och hur de uppkommer, kan ge värdefull kunskap. Det är relevant för att kunna framföra en djupare förståelse om hypotes och simulering, men också resultat av dropptestet för produkten. Detta inkluderar även insamlad data från kunder som använt produkten då problem uppstått vid oavsiktligt dropp.
3.3.4 Prototyper
Enligt Rapids Reproductions (2021)för projekt som kräver försök och fel är prototyper en viktig komponent för att garantera optimal framgång.
Att använda prototyper uppfyller en bra funktion genom att minska kostnaden och tiden för projektet. Detta projekt är en kvalitativ analysstudie vilket gör det lämpligt att använda prototyper för att nå ett mer kvalitativt resultat, detta för att kunna kontrollera eventuella fel som kan uppstå i testet innan den reella produkten undersöks. Prototyp användes i detta projekt för att anpassa testriggen och hitta rätt kontaktvinkel i förhållande till simulering. Inför denna studie har företag X
11
3D printat en attrapp som ska agera som prototyp inför det reella testet. Attrappen är en kopia på den verkliga prototypen gällande dimensioner, däremot skiljde vikten då attrappen vägde cirka 10% mer än den slutliga prototypen. Prototypen som skrivits ut kommer testas för att få rätt kontaktvinkel på produkten när det slutliga dropptestet ska genomföras.
3.5 Konstruktionsanalys
För att analysera produkten användes Dassault Systemes programvara Simulia Abaqus/Explicit. Konstruktionsanalyser av geometrier som utsätts för komplexa händelseförlopp kräver sofistikerade programvaror, Abaqus/Explicit är en programvara för finita elementanalyser av kortvariga dynamiska händelseförlopp som dropptester, krocktester eller ballistiska kollisioner (Dassault Systemes, 2021). Förekommande förstärkningar av produkten modelleras i Dassault Systemes programvara Catia V5, som är ett CAD program avsett för design, simulering, analys och konstruktion inom olika industrier som exempelvis flygindustrin, bilindustrin, konsumtionsvaror eller industriellt maskineri.
3.5.1 Programvaror
Tabell 1 – Använda programvaror
Programvara Beskrivning
Abaqus/Explicit R2018 Simulering
Dassault Catia V5-R20 Solidmodellering/Ytmodellering Wolfram Mathematica 12.1.1.0 Beräkningar
CES EduPack Materialdatabas
MPC Home Cinema Slowmotion video/ antal Fps
Adobe Photoshop 21.0.2 Bildredigering
Mathlab 2021a Accelerometer/Dataomvandling
G4 LD Utility 4.6.1 Mjukvara för Accelerometer
3.5.2 Handberäkningar
Handberäkningar nämns tillbaka till Design Analysis Process. Vilket är nödvändigt för valideringen att simuleringen överensstämmer med det reella droppet. Handberäkningar innefattar beräkning av droppet från släpp till första kontakt med ett underlaget, men också beräkning av impuls kraften som överförs till produkten när den träffar underlaget. Handberäkning är en del som bygger upp hypotesen till att vara mer sannolik och verklighetstrogen.
12 3.5.3 Produkt
Enligt företag X tillverkas 2500 exemplar per år. Företaget har fört statistik på de anmälningar som inkommit från kunder gällande problem hos produkten. 1856 av 2500 av de upplevda problemen från kunderna är att LCD-skärmen på produkten inte fungerar som den ska. Vid diskussion med kontaktperson från företag X nämns en kritisk punkt som framkommit av de anmärkta skador som rapporterats in. Konstruktionsanalysen i studien kommer därför att fokusera på denna kritiska punkt på produkten genom hela studien.
3.6 Flödesschema
I flödesschema är syftet att beskriva hur verksamhetens huvudprocess ser ut idag, det vill säga de aktiviteter som genomförs i projektet för att uppnå projektets mål.
Det övergripande flödesschemat ska också visa hur aktiviteterna hänger ihop.
Flödesschema går även använda på djupare nivå för varje aktivitet och beslut (IHI, 2021) Flödesschemat beskriver arbetsprocessen. I detta flödesschema ges
information om vilka metoder som används och vilka beslut som sker i de olika processerna.
Figur 3.1: Flödesschema för projektet
3.6.1 Problemdefinition
Identifiera problemet och projektets uppgift för att ge riktlinjer av projektets resultat. När projektet har definierats och syftet för projektet stämmer överens med företaget går det sedan vidare till förstudie.
3.6.2 Förstudie
Förstudien innefattar den sökning av de metoder och information som utvinner resultatet till projektet. I resultatet av de metoder och information som ges,
13
kommer företaget få en djupare inblick i en potentiell utveckling av produkten.
Beslut ifall metodik stämmer överens med problemdefinitionen och om den används i andra studier tas i detta moment.
3.6.3 Produktundersökning
Produktundersökning gick ut på definiera produkten utifrån miljön den användes i, produktens konstruktion, vilka krav som bör sättas samt potentiella material som kan användas.
3.6.4 Konstruktionsanalys
Efter produktundersökning används informationen för att sedan definieras i en matematisk- och simuleringsmodell som byggs på oavsiktligt dropp. Därefter sätts material in för att testa produktens prestanda och utvärdera om matematisk modell stämmer överens med simuleringen.
3.6.5 Dropptest
Dropptestet började först med att konstruera en testrigg och sedan använda en prototyp för att testa och utföra justeringar i parametrar för få rätt kontaktvinkel som motsvarade simulering. Därefter utfördes droppet av den reella produkten med rätt parametrar.
3.6.6 Principkonstruktion
Principkonstruktionen är den del med all information som tagits fram i form av principiella lösningar som utvärderas från krav och simuleringar. Några
konstruktionslösningar för förstärkningar och material har tagits fram i detta, samt slutsatser som kan gynna företaget i framtida utveckling av deras produkter.
3.7 Kravspecifikation
Tabell 2 – Företagets kravspecifikation
Krav Önskemål
Konceptlösning på produktmaterial ska gå att
tillverka med formsprutning Ytan ska vara slät i motsvarande till den befintliga produktens yta
Inga adderade geometrier får påverka övriga
komponenter Materialet ska klara av lösningarna : - Isopropanol 70% koncentration - Etanol 70 % koncentration - Natriumhypoklorit (klorin) 0.5
koncentration Inga ändringar i geometrier på yttre skal Brandklassad
Produkt materialet ska ha samma eller högre hållbarhet i sträckgräns eller i slaghållfasthet
14
4. Resultat
4.1. Dropptest
Figur 4.1: 10mm före sammanstötning
Resultatet av dropptestet gav underlag för verifiering av simulering i programmet abaqus/explicit. Hastigheten före sammanstötningen beräknades till 4.27m/s (Figur 4.1), se bilaga 1.
Figur 4.2: Deformation
Vid sammanstötningen deformerades produkten tydligt på den sida som pilen illustrerar (Figur 4.2).
Figur 4.3: Rotation
Produktens lägesenergi omvandlas till rörelseenergi när produkten släpptes från en meters höjd. Energin som absorberas i produkten efter sammanstötningen blev ungefär 50%, vilket gjorde att produkten återgav energin som en roterande studs (Figur 4.3), se bilaga 1 för beräkningar.
15
4.2. Simulering
4.2.1 Simplifiering av geometrier
För att minimera beräkningstiden i programmet Simulia Abaqus/Explicit,
användes programmet Catia V5 för att simplifiera några komponenter där onödiga geometrier inte bidrog till produktens hållfasthet i större utsträckning, kretskortets komponenter eller företagets logotyp är exempel på geometrier som exkluderades.
4.2.2 Material
För att simulera dropptestet krävdes flertalet olika indata som beskriver förhållanden vid ett verkligt scenario. I programmet Abaqus/Explicit angavs motsvarande materialdata för varje komponent som produkten består av. I vissa fall, där komponenter innehöll onödiga geometrier som inte bidrog till
konstruktionens hållfasthet, kompenserades avlägsnandet av geometrier med en högre densitet i förhållande till komponentens volym, för att kunna bibehålla befintlig vikt och inte påverka resultatet.
4.2.3 Mesh
Antalet element för hela produkten varierar beroende på infallsvinkeln som simuleras, alla simuleringar bestod vardera av ungefär 500 000 element och 120 000 noder. Varierande storlekar av element förekommer i sammanställningen då kritiska områden visar detaljerade spänningsfördelningar. Vissa komponenter av produkten hade enligt Abaqus/Explicit skadade ytor som inte kunde meshas korrekt, större problem löstes med programmet Catia V5, mindre och simplare problem löstes i Abaqus/Explicit.
4.2.4 Simuleringsvalidering
Analysdata från accelerometern LARSON DAVIS HVM200 visade att
sammanstötningen tog cirka 2.3 millisekunder (Se bilaga 2) och tid för simulerad sammanstötning i abaqus/explicit tog cirka 2.8 millisekunder för produkten med befintligt material ABS (Se bilaga 33). Resultatet från höghastighetskameran påvisade att sammanstötningen tog cirka 2.34 millisekunder (Se bilaga 1).
16
4.3. Analys
4.3.1 ABS (Ursprungligt material)
Figur 4.4: ABS – Maximal spänning
Figur 4.4 visar deformation av produkten, kan jämföras med reellt test (se figur 4.2). Maximal spänning enligt von Mises är 38.6MPa i hörnet på yttre skalet (Se bilaga 11). Sträckgränsen för materialet är 44MPa (Se bilaga 3) vilket illustrerar röda områden. Maximal spänning enligt simulering är 913MPa som avser monteringsskruvarna för produkten (dolda av övrig geometri), dessa ingår ej i projektet (se avgränsningar).
Figur 4.5: ABS – Maximal spänning (närbild av Figur 4.4)
Figur 4.6: Enligt simulering krockar kretskortet med produktens hölje
17
Figur 4.7: Borttaget kretskort. Se bilaga 11,12,13,14,15 och 16 för detaljerad översikt.
4.3.2 PC/ABS
Att byta material till “Formaterm PC/ABS Professional” visade sig ge goda förutsättningar för oavsiktligt dropp (Se bilaga 3 för materialdata). Maximal spänning enligt simulering är 1170 MPa som avser monteringsskruvarna för produkten (dolda av övrig geometri), dessa ingår ej i projektet (se avgränsningar).
Figur 4.8: Simulering av PC/ABS visar liknande deformation som ursprungsmaterialet, se figur 4.4.
18
Figur 4.9: Maximal spänning enligt von Mises är ungefär 61 MPa i nedre hörnet.
Figur 4.10: Maximal spänning enligt von Mises är godtyckligt under sträckgränsen 69 MPa (Se bilaga 3). Se bilaga 17,18,19 och 20 för detaljerad
översikt.
4.3.3 Förstärkning 1 (Med sprint)
Se bilaga 9 för materialdata och bilaga 6 för översiktlig ritning. Deformation av produktens sida har reducerats kraftigt med “Förstärkning 1” (Figur 4.11). Att jämföra med simulering av befintligt material, se figur 4.4. Maximal spänning enligt simulering är 917 MPa som avser monteringsskruvarna för produkten (dolda av övrig geometri), dessa ingår ej i projektet, se avgränsningar.
Figur 4.11: Maximal spänning enligt von Mises är ungefär 40.5MPa i nedre hörnet (Se bilaga 22 för detaljerad översikt).
19
Figur 4.12: Sprintens maximala spänning enligt von Mises är ungefär 450MPa.
Figur 4.13: Maximal spänning enligt von Mises är vid skruvhålet 27.7MPa.
Figur 4.14: Baksida av figur 4.13. Se bilaga 21,22,23,24,25,26 och 27 för detaljerad översikt.
4.4 Produktundersökning
4.4.1 Produktmaterial
I sökning på material för produktens yttre skal har vi valt de material som uppfyller kravspecifikationen. Information och materialspecifikationer har tagits från Handbook of Polymers (Wypych, 2016), Total Materia (2021) och CES Edupack (2021) Se bilaga 10.
20
5. Diskussion
5.0.1 Simulering
Efter genomfört arbete, konstaterades att stor kunskap om datorstödd simulering krävs för att genomföra denna typ av projekt. Under projektets gång, upptäcktes många problem som exempelvis att ingen i projektgruppen hade tidigare kunskap om programmet Simulia Abaqus/Explicit, vilket medförde extra arbete för att kunna lösa uppgiften i detta projekt. Överföringen av företagets produkt till programmet Abaqus/Explicit, medförde en del geometriska problem där meshning av komponenter inte var möjlig, på grund av programmets svårighet att tolka vissa ytor, detta löstes med olika inbyggda verktyg i programmet. För en större
förståelse om händelseförloppet vid dropptestet, skulle projektgruppen behövt djupare kunskap om FEM beräkningar. Ett annat problem som uppstod i programmet Abaqus/Explicit, var felaktiga indata. Efter mycket
informationssökande på olika relevanta forum om programmet, löstes problemet som berörde indelningen av dropptestets olika steg i tidsperioden (ResearchGate, u.å). I tidigt skede av analysprocessen glömdes specifika inställningar i
programmet abaqus/explicit, detta resulterade att projektgruppen fokuserade på fel områden av produkten och mycket onödigt arbete av ytmodellering i programmet Catia V5 genomfördes (Se bilaga 4).
5.0.2 Dropptest
Ett problem som uppstod under förberedelserna inför dropptestet var att
elektromagneten magnetiserade släppmekanismen, detta medförde att produkten inte släpptes vid önskat tillfälle. Inför det slutgiltiga dropptestet omstrukturerades mekanismen för en felfri funktion. Belysning som användes vid dropptestet var två stycken NOVIPRO 42W 500-5000lm, vid tidigare tester med attrapp användes enbart en lampa, detta skulle visa sig vara något i underkant för att frambringa ett godtyckligt resultat. Vid förberedande dropptester med attrapp, upptäcktes vibrationer som uppstod då attrappen slog ned i lavastenen. Vibrationerna
överförs från stenen ned i parkettgolvet och fram till kameran. Problemet löstes då det slutgiltiga testet utfördes med betonggolv som underlag.
5.1. Resultatdiskussion
5.1.1 Accelerometer
Förberedelser inför dropptestet gjordes med hjälp av en attrapp och det visade sig finnas många parametrar som kunde påverka ett godtyckligt resultat.
Accelerometerns analoga förbindelse med kontrollenheten skapade rotation av produkten vid dropptestet, vilket resulterade i oönskade resultat (Se bilaga 2).
21 5.1.2 Höghastighetskamera
Då dropptestet delvis genomfördes med hjälp av en mobiltelefon, var begränsningarna omfattande. Inställningar för fokus var ej applicerbara och automatisk fokus användes. Resultatet blev något suddigt. För att mäta hastigheten vid sammanstötningen, placerades en mätlinjal vid anslagsytan.
Dessvärre blev sammanstötningen förskjuten från mätlinjalen och åtgärder vidtogs för att kompensera förskjutningen (Se figur 4.1).
5.1.3 Analys av insamlade data
För korrekt insamling av data från Larson Davis HVM200, måste inställningar som avser RAW-format anges. För att omvandla RAW filen till användbara data, öppnades en tilldelad kommandofil från tillverkaren i programmet MATLAB där inställningar för frekvens och tid angavs. Data användes sedan för att göra ett diagram av accelerationen i förhållande till tidsintervallet (Se bilaga 2).
Tidsperioden i diagrammet för sammanstötningen användes för att validera simuleringen.
5.1.4 Simulering
Simuleringstid varierade mellan åtta och tretton timmar beroende på antal element modellen bestod av. Modellen kunde meshas med större element, på motsatt sida av produkten vid sammanstötningen, där spänningar var låga, vilket medförde snabbare simulering. Ett lösningskoncept som reducerade deformation vid sidan av produkten var ”Förstärkning 2”, lösningen uppfattades som mindre bra än övriga lösningar (Se Bilaga 28,29,30,31 och 32 för detaljerad översikt). Maximal spänning för samtliga simuleringar var över 900MPa, detta orsakades av
modellens vilkor (Tie constraint) för montering av de olika komponenterna med skruvar, vilket troligtvis medförde höga spänningskoncentrationer. Skruvarna ingår ej i detta projekt (Se avgränsningar).
5.2. Metoddiskussion
5.2.1 Dropptest
Val av dropptest påverkades problemdefinitionen projektet. Metoden Mechanical shock test och Board level test är två testmetoder som kan testas för att hitta kritiska skador som kan uppstå, i metoderna nämns inget huruvida testerna kan simuleras för ett oavsiktligt dropp för hela produkten. Med de olika metoderna för drop test valdes free fall drop test, då detta test föll sig bäst för att besvara
problemdefinitionen där produkten skulle simuleras i ett oavsiktligt dropp men också för att tillgodose att den mest kritiska punkten utsattet belastas för att få ut den största skadan på produkten.
22 5.2.2 Simulering
För att minimera beräkningstiden i programmet abaqus/explicit, gjordes vissa justeringar på modellens olika ingående komponenter. Kritiska områden i
modellen tilldelades finare seeds, vilket är en välbeprövad metod enligt Gao et al., (2010). Det innebär tätare noder som sammankopplar elementen, övriga ytor av modellen som ej ingick i kritisk granskning tilldelades något grövre
elementfördelning. Utöver nodfördelning placerades modellen mycket nära sammanstötningsytan för att minimera beräkningstiden.
5.2.3 Slaghållfasthet
Något som sker vid dropp är att produkten får stötar vid kontakt med
föremål/golv/mark. Slaghållfasthet är en väldigt specifik hållfasthet där värdena inte är detsamma som med brott och sträckgräns för draghållfasthet. Det som styr slaghållfastheten är sprödhet och seghet (Leijon & Bellander, 2013).
Slaghållfasthet har enheten J/m eller kJ/m², beroende på vilken metod som används för att mäta slaghållfasthet. Något som skulle kunna ha testats vid tillgång till de olika material som tagits fram i undersökning av produktmaterial.
5.2.4 Produktutvecklingsprocessen
I produktundersökning som en del av produktutvecklingen menar Ulrich och Eppinger (2012) att den specifika sammansättningen av ett utvecklingsteam beror på produktens särskilda egenskaper. Detta betyder att syftet och målet med projektet och utveckling av produkten är utformat till vår kompetens.
I produktutvecklingsprocessen är fokus på design funktionen men vi berör även tillverkning och marknadsföring funktionen.
5.2.5 Produktmaterial
I sökning efter olika material har det framkommit att det finns olika metoder och faktorer beroende på vilka krav eller önskemål som produkten behöver uppfylla.
Några exempel är blandning av olika material, till exempel Polykarbonat och ABS, för andra sammansättningar av olika material finns metoder som strålning och olika faktorer som ger olika resultat vid formsprutning.
5.3. Sociala, ekonomiska, miljö- och arbetsmiljöaspekter
5.3.1 Sociala perspektivet
Genom att tillgodose att produkten som företag X tillhandahåller håller en god kvalitet, med minskad risk för skador vid fall från arbetshöjd, gör det produkten mer användarvänlig. Den kan då hanteras utan att oro för att ett eventuellt dropp skulle förstöra produkten. Utöver det så är utformningen på produkten anpassad för att den ska vara ergonomisk så att användaren har en god upplevelse av att arbeta med produkten.
23 5.3.2 Ekonomiska perspektivet
Produkten består huvudsakligen av plast och kommer någon gång i framtiden att kasseras. Pastavfall har en global påverkan på ekosystemet vilket även innebär en ekonomisk aspekt att beakta i saneringskostnader (Thushari & Senevirathna, 2020). Simulering kan reducera fysiska tester och och på så sätt möjliggöra för ökad pålitlighet genom optimering av produkten, vilket kan leda till en
kostnadseffektiv produktutvecklingsprocess (Mani et al., 2013).
5.3.3 Miljöperspektivet
Testriggen konstruerades av granreglar för att minimera miljöpåverkan då endast ett dropptest skulle genomföras. Produktens hölje består av plast, och generellt ger plasttillverkning upphov för ökade utsläpp av växthusgaser världen över, när plast baseras på fossila bränslen ökar utsläppen markant vid förbränning, detta då det höga kolinnehållet som finns i de fossila plasterna frisläpps under förbränning (Naturvårdsverket, 2020).
5.3.4 Arbetsmiljöperspektivet
Vid produktion av företagets produkt, är det viktigt att företaget tillgodoser att lokalerna är väl ventilerade samt välorganiserade. Råvaror som används i
produktionen ska förvaras på ett sätt som skapar en god arbetsmiljö där hantering skapar förutsättningar för ett riskfritt arbete samt att arbetet sker med fullgod skyddsutrustning där behov finns. För kunder som använder produkten är det viktigt att informera om produktens användningsområden för att minimera felhantering av produkten som kan leda till skada hos användaren. Då produkten i sin användning ofta rengörs med lösningsmedel, bör användaren tillgodose att rätt skyddsutrustning används.
24
6. Slutsatser
Slutsatser av denna studie är sammanfattat av resultatet och riktlinjer för företaget.
Från företagets sida, har projektet varit en studie med väldigt få begränsningar, att hitta olika lösningar som kan potentiellt påverka beslut i nutid och framtid. Vilket kan leda till ökad lönsamhet för företaget.
● För framtida studier för företaget kan materialets slaghållfasthet testas med ASTM D256 och ISO 180 två metoder som används (Intertek, 2021)
● Metoden board level test kan vara en lämplig testmetod då kretskortets böjning är en vanlig orsak till att LCD-skärmen delvis eller helt slutar fungera.
Det finns stor optimeringspotential för produkten, dessvärre begränsas antalet lösningsförslag av simuleringsprogrammet abaqus/explicit då varje simulering kräver mycket tid. Slutsatsen av vårt resultat, är att företaget bör se över
“Förstärkning 1 (med sprint)”,(Figur 6.1) då lösningen reducerar deformation och spänningar. Företaget bör även reflektera ett materialbyte då detta kan potentiellt lösa framtida problem (Se bilaga 3, Figur 6.2).
Figur 6.1: Lösning med sprint
Figur 6.2: Befintligt ABS material och Formaterm PC/ABS Professional i en stress/strain kurva.
25
Referenser
Andreasen, M.M. & Hein, L. (1987) Integrated Product Development
Bathe, K. J. (1996). Finite Element Procedures. Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall.
Chang, K. (2014). Product design modelling using CAD/CAE : the computer aided engineering design series . Academic Press.
Continental Flooring Company (26-04-2021) Healthcare Flooring – What You Need to Know about Flooring Your Hospital
https://www.continentalflooring.com/healthcare-flooring-what-you-need-to- know-about-flooring-your-hospital/
Dassault Systemes. (2021). Abaqus/Explicit Complete solutions for realistic simulation https://www.3ds.com/products-
services/simulia/products/abaqus/abaqusexplicit/
Eriksson, M. (2015). Fundamentals of a Methodology for Predictive Design Analysis. Lund University.
Gao, S., Zhao, W., Lin, H., Yang, F., & Chen, X. (2010). Feature suppression based CAD mesh model simplification. Computer Aided Design, 42(12), 1178–
1188. https://doi.org/10.1016/j.cad.2010.05.010
Grimshaw, P., & Grimshaw, P. (2006). Sport and exercise biomechanics (s. 228- 232). Taylor & Francis Group.
Groover, M.P. & Zimmers, E.W. (1984). CAD/CAM: computer-aided design and manufacturing. Englewood Cliffs, N.J.: Prentice-Hall.
Intertek Plastics Technology Laboratories (06-05-2021) Izod Impact Testing https://www.ptli.com/testlopedia/tests/izod-d256-ISO180.asp
JEDEC. (2003). Standard JESD22-B111A. Board level drop test method of components for handheld electronic products.
https://www.jedec.org/document_search?search_api_views_fulltext=JESD22- B111&order=title&sort=asc
JEDEC. (2013). Standard JESD22-B110B.01. Mechanical shock - Device and Subassembly.
https://www.jedec.org/document_search?search_api_views_fulltext=JESD22- B110
26
Jing-en Luan, Tong Yan Tee, Pek, E., Chwee Teck Lim, & Zhaowei Zhong.
(2003). Modal analysis and dynamic responses of board level drop test.
Proceedings of the 5th Electronics Packaging Technology Conference (EPTC 2003), 233–243. https://doi.org/10.1109/EPTC.2003.1271522
Karppinen, J., Li, J., Pakarinen, J., Mattila, T., & Paulasto-Kröckel, M. (2012).
Shock impact reliability characterization of a handheld product in accelerated tests and use environment. Microelectronics and Reliability, 52(1), 190–198.
https://doi.org/10.1016/j.microrel.2011.09.001
Kolbasin, A., & Husu, O. (2018). Computer-aided design and Computer-aided engineering. MATEC Web of Conferences, 170, 1115–.
https://doi.org/10.1051/matecconf/201817001115
Korobiichuk, I., Bezvesilna, O., Kachniarz, M., Koshovyj, M., & Kvasnikov, V.
(2018). Methods and ways of Piezoelectric Accelerometers Fastening on the objects of research. Acta Physica Polonica A, 133(4), 1112–1115.
https://doi.org/10.12693/APhysPolA.133.1112
Lalit Narayan, K., Mallikarjuna Rao, K., & Sarcar, M.M.M. (2008). Computer Aided Design And Manufacturing. Prentice-Hall of India Private Limited.
Leijon, W., & Bellander, M. (2013). Materiallära. Stockholm:Liber
Lim CT, & Low, Y. (2002). Investigating the drop impact of portable electronic products. 52nd Electronic Components and Technology Conference 2002. (Cat.
No.02CH37345), 1270–1274. https://doi.org/10.1109/ECTC.2002.1008269 Mani, M., Johansson, B., Lyons, K., Sriram, R., & Ameta, G. (2013). Simulation and analysis for sustainable product development. The International Journal of Life Cycle Assessment, 18(5), 1129–1136. https://doi.org/10.1007/s11367-012- 0538-0
Mattila, T., Vajavaara, L., Hokka, J., Hussa, E., Mäkelä, M., & Halkola, V.
(2014). Evaluation of the drop response of handheld electronic products.
Microelectronics and Reliability, 54(3), 601–609.
https://doi.org/10.1016/j.microrel.2013.10.023
National Technical Systems (NTS). (3 mars, 2021) Drop.
https://www.nts.com/services/testing/dynamics/drop/
Naturskyddsföreningen. (2 mars, 2021) De vanligaste plasterna och tillsatsämnena. https://www.naturskyddsforeningen.se/info-om-plast
Naturvårdsverket. (4 september 2020). Förbränning av fossilbaserad plast behöver minska för att sverige ska nå sina klimatmål.
27
https://www.naturvardsverket.se/Miljoarbete-i-samhallet/Miljoarbete-i- Sverige/Uppdelat-efter-omrade/Plast/Plastens-miljoeffekter/Klimatpaverkan/
Olatunji, O., & Sher, W. (2015). Estimating in geometric 3D CAD. Journal of Financial Management of Property and Construction, 20(1), 24–49.
https://doi.org/10.1108/JFMPC-07-2014-0011
Olsson, F. (1995). Principkonstruktion ([Ny uppl.]). Maskinkonstruktion, Lunds tekniska högskola.
Pelliccia, L. Bojko, M. Prielipp, R. & Riedel, R. (2021). Applicability of 3D- factory simulation software for computer-aided participatory design for industrial workplaces and processes. Procedia CIRP Volume 99, 2021, Pages 122-126.
https://doi.org/10.1016/j.procir.2021.03.019
Rapids Reproductions (21 april, 2021) The Pros & Cons Of Prototyping https://rapidsrepro.com/advantages-disadvantages-prototyping/
ResearchGate. (u.å). Abaqus/Explicit. Hämtad 2021-04-14 från:
https://www.researchgate.net/
Sawai, K., Tanabe, S., Kono, H., Suzuki, T., & Kawabata, K. (2012). Design and development of impact-resistant sensor node for launch deployment into closed area. Sensor Review, 32(4), 318–326.
https://doi.org/10.1108/02602281211257551
Sheng Liu, Xiaojun Wang, Bin Ma, Zhiyan Gan, & Honghai Zhang. (2005). Drop Test and Simulation of Portable Electronic Devices. 2005 6th International Conference on Electronic Packaging Technology, 1–4.
https://doi.org/10.1109/ICEPT.2005.1564699
Shukla, R., & Srivastava, A. (2006). Mechanics. New Age International P Ltd., Publishers.
Tee, T., Ng, H., Lim, C., Pek, E., & Zhong, Z. (2004). Impact life prediction modeling of TFBGA packages under board level drop test. Microelectronics and Reliability, 44(7), 1131–1142. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2004.03.005 Tempelman, E., Dwaikat, M.M.S. & Spitás, C. (2012). Experimental and
Analytical Study of Free-Fall Drop Impact Testing of Portable Products. 52:1385–
1395 https://doi.org/10.1007/s11340-011-9584-y
Thushari, G., & Senevirathna, J. (2020). Plastic pollution in the marine environment. Heliyon, 6(8), e04709–e04709.
https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2020.e04709
Ulrich, K.T. & Eppinger, S.D. (2012). Product design and development. (5. ed., International ed.) Boston, Mass.: McGraw-Hill/Irwin.
28
Vinodh, S., Sundararaj, G., Devadasan, S., Kuttalingam, D., & Rajanayagam, D.
(2010). Achieving agility in manufacturing through finite element mould analysis:
An application‐oriented research. Journal of Manufacturing Technology Management, 21(5), 604–623. https://doi.org/10.1108/17410381011046995 Wagner, M. (2017). Thermal Analysis in Practice: Fundamental Aspects. Hanser.
Wali, M., Abdennadher, M., Fakhfakh, T., & Haddar, M. (2011). Dynamic analysis of an elasto-plastic sandwich subjected to low velocity impact.
Multidiscipline Modeling in Materials and Structures, 7(2), 184–206.
https://doi.org/10.1108/15736101111157118
Wang, H., Chen, S., Huang, L. and Wang, Y. (2006), DROP TESTER WITH ORIENTATION REPEATABILITY FOR ELECTRONIC PRODUCTS.
Experimental Techniques, 30: 31-36. https://doi.org/10.1111/j.1747- 1567.2006.00104.x
Wu, J., Song, G., Yeh, C., & Wyatt, K. (1998). Drop/impact simulation and test validation of telecommunication products. ITherm’98. Sixth Intersociety
Conference on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems (Cat. No.98CH36208), 330–336. https://doi.org/10.1109/ITHERM.1998.689582 Wypych, G. (2016). Handbook of polymers (Second edition.). ChemTec
Publishing.
Zhou, C., Yu, T., & Lee, R. (2008). Drop/impact tests and analysis of typical portable electronic devices. International Journal of Mechanical Sciences, 50(5), 905–917. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2007.09.012
Zhou, C., Yu, T., & Suhir, E. (2009). Design of Shock Table Tests to Mimic Real- Life Drop Conditions. IEEE Transactions on Components and Packaging
Technologies, 32(4), 832–837. https://doi.org/10.1109/TCAPT.2009.2020695
Absorberad energi
In[1]:= Remove["Global`*"]
Data:
h = 0.009; "= Maximalt uppnådd höjd efter sammanstötning (meter)";
hföre = 0.01; "= Höjden före sammanstötningen (meter)";
m = 0.270; "= Produktens massa (kilogram)";
g = 9.82; "= Tyngdacceleration (m/s2)";
L = 0.15; "= Produktens längd (meter)";
a = 0.08; "= Produktens Bredd (meter)";
rotation = 160;
frames = 523;
videofps = 30;
"= Graders rotation till maximal höjd efter sammanstötning (grader)";
"= Antal frames från sammanstötning till maximal uppnådd höjd";
"= Antal bilder (frames) som passerar i videon efter 1 sekund";
Slowmotionfactor = 256; "= Antal gånger långsammare, 256*30=7680";
frameImpact = 18; "= Antal frames som passerar från hföre till sammanstötning";
frameImpactTime = 18; "= Antal frames från 4.26667 m/s till 0 m/s";
Formler:
Produktens geometri approximeras som en rektangulär parallellepiped, tröghetsmoment anges i kg*m2:
= m
12 L2+ a2;
Vinkelhastighet för produkten efter sammanstötningen (radian/sekund):
ω =
2 π 360 * 160 rotationTime; Rotationstid i sekunder:
rotationTime =
frames videofps
Slowmotionfactor // N;
Tiden från 4.26667m/s till 0m/s: (Hastighet före sammanstötning), Anges i sekunder:
In[89]:= ImpactTime =
frameImpact videofps
Slowmotionfactor // N
Out[89]= 0.00234375
Cirka 2.34 millisekunder
Printed by Wolfram Mathematica Student Edition
Bilaga 1
Bilagor
Hastighet före sammanstötning (m/s):
In[44]:= v = hföre
ImpactTime
Out[44]= 4.26667
Kinetisk energi & Potentiell energi:
In[45]:= PotentialEnergyAfter = m * g * h;
In[46]:= KineticEnergyAfter = 1
2 * ω2;
Kinetisk energi efter sammanstötning (Joule):
In[47]:= TotalEnergyAfter = KineticEnergyAfter + PotentialEnergyAfter
Out[47]= 0.570582
Kinetisk energi före sammanstötning (Joule):
In[48]:= TotalEnergyBefore = m * v2
2
Out[48]= 2.4576
Absorberad energi:
In[49]:= TotalEnergyAfter
TotalEnergyBefore
Out[49]= 0.23217
Cirka 23% av energin återgavs i form av studs och rotation.
2 Energy.nb
Printed by Wolfram Mathematica Student Edition
In[ ]:= dataX = Import["C:\\Users\\Robert\\Desktop\\Test.txt", {"Data", {All}, {1}}];
dataY = Import["C:\\Users\\Robert\\Desktop\\Test.txt", {"Data", {All}, {2}}];
dataZ = Import["C:\\Users\\Robert\\Desktop\\Test.txt", {"Data", {All}, {3}}];
In[ ]:= X = Range0, 599
7161.45833, 1
7161.45833;
Y = Range0, 599
7161.45833, 1
7161.45833;
Z = Range0, 599
7161.45833, 1
7161.45833;
Alla vektorer i samma graf. X-axel: Tid (Sekunder), Y-axel: Acceleration m s
2)
In[ ]:= ListPlot{Transpose[{X, dataX}], Transpose[{Y, dataY}], Transpose[{Z, dataZ}]},
PlotRange → {{0.03, 0.06}, {- 300, 650}}, Joined → True, ColorFunction → Hue, AxesLabel → s, m s2
Out[]=
Alla vektorer sammansatta till resultant. X-axel: Tid (Sekunder), Y-axel:
Acceleration m s
2)
In[ ]:= XYZ = Range0, 599
7161.45833, 1
7161.45833;
In[ ]:= DataXYZ = Transpose dataX2+ dataY2+ dataZ2 // Flatten;
Printed by Wolfram Mathematica Student Edition
Insamlad data från Accelerometern LARSON DAVIS HVM200
Bilaga 2
In[ ]:= ListPlotTranspose[{XYZ, DataXYZ}], PlotRange → {{0.03, 0.05}, {0, 700}}, Joined → True, ColorFunction → Hue, AxesLabel → s, m s2
Out[]=
2 XYZ-axis.nb
Printed by Wolfram Mathematica Student Edition
Grafen visar att sammanstötningen tog cirka 2.3 millisekunder.
Materialjämförelse
StrainPCABS = {0, 0.0138, 0.0314, 0.049, 0.07020, 0.0894,
0.0988, 0.1179, 0.212, 0.3368, 0.4751, 0.5231, 0.5615, 0.5903, 0.6384, 0.6787, 0.7267, 0.7709, 0.8017, 0.8439, 0.892, 0.9169, 0.9688};
StressPCABS = {0, 20, 42, 60, 69, 70, 58, 51, 51, 51, 52, 54, 55, 56, 58, 60, 61, 63, 64, 64, 67, 68, 68};
StrainABS = {0, 0.0067, 0.0141, 0.026, 0.0424, 0.0547, 0.0658, 0.0723, 0.0836, 0.0981, 0.1371, 0.191, 0.2478, 0.296, 0.3377, 0.3977, 0.4422, 0.4706, 0.4748};
StressABS = {0, 3, 9, 16, 25, 33, 42, 44, 41, 39, 38, 38, 38, 37, 37, 36, 35, 34, 34};
Materialjämförelse av ursprungligt material ABS och “Formaterm PC/ABS Professional”, Se graf nedan för jämförelse.
ABS vs PC/ABS
In[ ]:= ListPlot[{Labeled[Transpose[{StrainPCABS, StressPCABS}], PCABS],
Labeled[Transpose[{StrainABS, StressABS}], ABS]}, PlotRange → {{0, 1}, {0, 72}},
Out[]=
PCABS
ABS
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Strain
10 20 30 40 50 60 70
Joined → True, PlotStyle → {Blue, Red}, AxesLabel → {"Strain", "Stress (MPa)"}]
Stress (MPa)
Printed by Wolfram Mathematica Student Edition
