Examensarbete i Maskinteknik
Vidareutveckling av teststation för hydrauliska fixturer
-Med fokus på ergonomi och design
Further development of a test station for hydraulic fixtures
-With focus on ergonomics and design
Författare: Fredrik Hammargren och Niklas Stenmalm
Handledare LNU: Samir Khoshaba
Handledare företag: Daniel Eklund, ECMEC AB Examinator LNU: Izudin Dugic
Datum: 2021-06-02 Kurskod: 2MT10E, 15hp
Sammanfattning
Låga tillverkningskostnader är en viktig konkurrensfaktor inom verkstadsindustrin.
Stora och etablerade företag använder idag mycket automatiserade maskiner för att öka effektiviteten, lönsamheten, få en jämnare kvalitet men även för att förbättra arbetsmiljön.
Ett sätt för att uppnå en mer automatiserad och kostnadseffektiv tillverkningsindustri är att använda hydrauliska fixturer. När dessa hydrauliska fixturer tillverkas och monteras ihop behövs en funktionsprovning samt injustering utföras innan de levereras och börjar användas i serietillverkningen.
Beroende på vilken bearbetningsmaskin som en hydraulisk fixtur kopplas samman med används olika hydraultryck och flöden. På marknaden saknas en ergonomisk, användarvänlig och väl anpassad teststation för hydrauliska fixturer så de kan justeras samt funktionsprovas innan leverans. Anledningen till att en anpassad teststation inte redan finns är att marknaden är begränsad.
År 2005 uppgicks samhällets kostnader för sjukersättningar och sjukskrivningar till över 100 miljarder kronor, vilket motsvarar drygt 250 miljoner per dag. Därför är det viktigt att ha ergonomi i åtanke vid utveckling av nya produkter till arbetsplatsen.
Syftet och målet är att skapa en förståelse för hur man uppnår en ergonomisk och användarvänlig teststation för hydrauliska fixturer, för att i slutändan presentera en virtuell prototyp som en totallösning där även hudraultryck och flöde är justerbart.
Arbetet kommer endast att beröra teststationen och inte de hydrauliska fixturer som den kopplas samman med. För att uppnå detta används relevanta teorier inom produktutveckling och ergonomi.
Genomförandet bygger på olika produktutvecklingssteg. Genom att generera olika koncept som uppfyller produktspecifikationen kunde till slut en totallösning presenteras. Efter att ha sammanställt en detaljkonstruktion på teststationens komponenter presenteras en virtuell prototyp som slutresultat.
Slutsatsen av rapporten är att en prototyptillverkning rekommenderas för verifiering av samtliga funktioner. En fysisk prototyp kan bidra med att djupare kunskap om produkten och ytterligare förbättringsmöjligheter samt lösningar kan genereras.
Summary
Low manufacturing costs are an important competitive factor in the manufacturing industry. Large and established companies today use highly automated machines to increase efficiency, profitability, achieve a more even quality but also to improve the working environment.
One way to achieve a more automated and cost-effective manufacturing industry is to use hydraulic fixtures. When these hydraulic fixtures are manufactured and
assembled, a function test and adjustment must be performed before they are delivered and start use in series production.
Depending on which processing machine a hydraulic fixture is connected to, different hydraulic pressures and flows are used. The market lacks an ergonomic, user-friendly, and well-adapted test station for hydraulic fixtures so they can be adjusted, and function tested before delivery. The reason why a custom test station does not already exist is that the market is limited.
In 2005, society's costs for sickness benefits and sick leave are amounted to more than 100 billion SEK, which corresponds to just over 250 million SEK per day.
Therefore, it is important to keep ergonomics in mind when developing new products for the workplace.
The purpose and goal are to create an understanding of how to achieve an ergonomic and user-friendly test station for hydraulic fixtures, to ultimately present a virtual prototype as a total solution where both hydraulic pressure and flow are adjustable.
The work will only affect the test station and not the hydraulic fixtures which it is connected. To achieve this, relevant theories in product development and ergonomics are used.
The implementation is based on different product development steps. By generating different concepts that meet the product specification, a total solution could finally be presented. After compiling a detailed design of the test station components, a virtual prototype is presented as the end result.
The conclusion of the report is that making a physical prototype is recommended for verification of all functions. A physical prototype can contribute to deeper
knowledge of the product and further opportunities for improvement and solutions can be generated.
Abstract
Låga tillverkningskostnader är en viktig konkurrensfaktor inom verkstadsindustrin.
Ett sätt för att uppnå en mer automatiserad och kostnadseffektiv tillverkningsindustri är att använda hydrauliska fixturer. När dessa fixturer tillverkas och monteras ihop behövs en funktionsprovning samt injustering utföras innan de levereras och börjar användas i serietillverkningen. På marknaden saknas en ergonomisk, användarvänlig och väl anpassad teststation för hydrauliska fixturer.
Syftet och målet är att skapa en förståelse för hur man uppnår en ergonomisk och användarvänlig teststation för hydrauliska fixturer, för att i slutändan presentera en virtuell prototyp som en totallösning där även hudraultryck och flöde är justerbart.
För att uppnå detta används relevanta teorier inom produktutveckling och ergonomi.
Genomförandet bygger på olika produktutvecklingssteg, som leder till en totallösning. Efter att ha sammanställt en detaljkonstruktion på teststationens komponenter presenteras en virtuell prototyp som slutresultat.
Nyckelord: Produktutveckling, ergonomi, teststation, användarvänlig, design, hydraulik, fixtur
Förord
Examensarbetet har genomförts i samarbete med ECMEC AB i Växjö. Detta arbete är ett slutmoment för högskoleingenjörer i programmet maskinteknik med inriktning produktutveckling vid Linnéuniversitetet i Växjö. Genomförandet av arbetet har fördelats lika mellan skribenterna.
Vi skulle vilja riktiga ett stort tack till de personer som har varit med och bidragit till vårt arbete.
Inledningsvis skulle vi vilja tacka vår företagshandledare på ECMEC AB Daniel Eklund som gav oss möjligheten till detta arbete och stöd under resans gång, men också Marcus Norrenge som gett oss bra synpunkter och förbättringsmöjligheter.
Vi vill även rikta ett stort tack till Magnus Rålin på Växjö Hydraulservice som med sin expertis och kunskap har hjälpt oss.
Från Linnéuniversitetet vill vi tacka vår handledare Samir Khoshaba som bidragit med råd och god handledning. Även vår examinator Izudin Dugic för hans stöd genom hela utbildningen.
Slutligen vill vi tacka vår opponentgrupp, Anja Petterson och Emil Karlsson, som gett oss bra synpunkter på förbättringar under arbetet.
Fredrik Hammargren & Niklas Stenmalm Växjö, 02 Juni 2021
Innehållsförteckning
1. INTRODUKTION ... 1
1.1BAKGRUND OCH PROBLEMBESKRIVNING ... 1
1.2PROBLEMATISERING ... 2
1.3SYFTE OCH MÅL... 2
1.4FRÅGESTÄLLNINGAR ... 2
1.5STUDIENS RELEVANS ... 2
1.6AVGRÄNSNINGAR ... 3
2. METOD ... 4
2.1FORSKNINGSDESIGN ... 4
2.2 METODVAL ... 6
2.2.1 Kvalitativ eller kvantitativ forskning ... 6
2.2.2 Förhållandet mellan teori och empiri ... 7
2.2.3 Datainsamling ... 7
2.3FORSKNINGSKVALITET OCH ETIK ... 8
2.3.1 Forskningsetik ... 8
2.3.2 Ingenjörsetik ... 8
2.3.3 Validitet och reliabilitet ... 9
2.3.4 Forskningskvalitet... 10
3. LITTERATURGENOMGÅNG OCH TEORI... 11
3.1LITTERATURGENOMGÅNG ... 11
3.1.1 Produktutveckling ... 11
3.1.2 Ergonomi ... 11
3.2TEORI ... 12
3.2.1 Produktutveckling ... 12
3.2.2 Brainstorming ... 18
3.2.3 Ergonomi ... 18
3.2.4 Computer Aided Design (CAD) ... 22
3.2.5 Plan, Do, Study, Act (PDSA) ... 22
3.2.6 Fixturer ... 23
3.2.7 Hydraulik ... 24
3.2.8 Hållfasthet ... 26
3.2.9 Ytbehandling med färg ... 27
4. GENOMFÖRANDE ... 28
4.1NULÄGESBESKRIVNING ... 28
4.2IDENTIFIERA BEHOV ... 29
4.2.1 Intervjuer ... 30
4.2.2 Observation ... 30
4.3.3 Produktspecifikationer ... 30
4.4KONCEPTGENERERING... 32
4.4.1 Koncept – Röd ... 39
4.4.2 Koncept – Grön ... 40
4.4.3 Koncept – Orange ... 41
4.4.4 Koncept – Blå ... 42
4.4.5 Koncept – Grå ... 43
4.5KONCEPTVAL ... 44
4.5.1 Förklaring av valt slutkoncept ... 45
4.6DETALJKONSTRUKTION ... 46
4.6.1 Identifiering av vikter ... 46
4.6.2 Ramkonstruktion ... 47
4.6.3 Hydraulaggregat och ventiler ... 48
4.6.4 Elskåp ... 49
4.6.5 Display ... 49
4.6.6 Hjul ... 49
4.6.7 Lådor ... 49
4.6.8 Sidoplåtar ... 49
4.6.9 Arbetsbänk ... 50
5. RESULTAT ... 51
5.1PROTOTYP ... 51
5.2RAMKONSTRUKTION ... 52
5.3HYDRAULAGGREGAT OCH VENTILER ... 53
5.4ELSKÅP... 54
5.5DISPLAY ... 55
5.6HJUL ... 56
5.7LÅDOR ... 56
5.8SIDOPLÅTAR ... 57
5.9ARBETSBÄNK ... 57
6. ANALYS ... 58
6.1PRODUKTUTVECKLINGSPROCESSEN ... 58
6.2RAMKONSTRUKTION ... 58
6.3ARBETSBÄNK OCH DISPLAY ... 58
6.4SIDOPLÅTAR ... 59
7. DISKUSSION ... 60
7.1METODDISKUSSION ... 60
7.2RESULTATDISKUSSION ... 61
8. SLUTSATSER... 62
REFERENSER ... 63
BILAGOR ... 66
1. Introduktion
I introduktionskapitlet presenteras en bred bakgrund till hur problemet rapporten behandlar uppstod. Syfte, mål, frågeställningar samt
avgränsningar kommer även att redogöras för.
1.1 Bakgrund och problembeskrivning
Låga tillverkningskostnader är en viktig konkurrensfaktor inom verkstadsindustrin. Stora och etablerade företag använder idag mycket automatiserade maskiner för att öka effektiviteten, lönsamheten, få en jämnare kvalitet men även för att förbättra arbetsmiljön. Narain och Yadav (1997) beskriver att en stor anledning till att företag på marknaden för tillverkningsindustri använder en mer automatiserad produktion är för att få en jämnare kvalitet på sina produkter. De beskriver även att automatiserade tillverkningsmaskiner resultera i en minskad ledtid och öka produktiviteten.
Ett sätt för att uppnå en mer automatiserad och kostnadseffektiv tillverkningsindustri är att använda hydrauliska fixturer.
Vid produktion inom verkstadsindustrin förekommer ofta skärande bearbetning som metod för att framställa önskad form i antingen solida metallstycken eller redan formade gjutna detaljer. En gjuten komponent behöver nästan alltid en efterbearbetning, i till exempel en svarv eller fräs, för att få bort oönskat material samt för att uppnå ställda krav på toleranser och ytjämnhet.
När bearbetningen utförs uppstår stora krafter från de roterande verktyg som använd i till exempel en fräs (Björklund m.fl. 2015). Detta ställer stora krav på att detaljen som bearbetas är fixerad på ett sätt så den inte förflyttas då detta skulle resultera i felaktig bearbetning. Om arbetsstycket lossnar kan haveri av bearbetningsmaskinen uppstå med produktionsstopp och kostsamma reparationer som följd.
Beroende på seriestorleken väljs olika metoder för att låsa fast arbetsstycket.
Vid korta serier eller enstyckstillverkning kan manuell fastlåsning vara bästa alternativet, handlar det om stora serier är en produktanpassade fixtur mer lämplig att använda. De stora fördelarna med en produktanpassad fixtur är:
produktionstiden minskas, bättre arbetsmiljö för operatören samt att en jämnare kvalitet kan uppnås.
En fixtur kan antingen ha manuell, pneumatisk, hydraulisk,
elektromagnetisk eller elektriskt manövrerad låsning (Hågeryd, Björklund &
Lenner 2018).
Då dagens verkstadsindustri för serietillverkning till hög grad är
automatiserad så passar det bra med en styrd fastspänning i fixturen, ofta
med hjälp av hydraulik. När dessa hydrauliska fixturer tillverkas och monteras ihop behövs en funktionsprovning samt injustering innan de levereras och börjar användas i serietillverkningen.
1.2 Problematisering
Beroende på vilken bearbetningsmaskin som en hydraulisk fixtur kopplas samman med används olika hydraultryck samt flöden. På marknaden saknas en ergonomisk, användarvänlig och väl anpassad teststation för hydrauliska fixturer så de kan justeras samt funktionsprovas innan leverans, eller
felsökas vid avhjälpande underhåll. Anledningen till att en anpassad teststation inte redan finns är att marknaden är begränsad. Det går i
praktiken att justera in och felsöka fixturer utan en anpassad teststation, dock skulle det effektivisera och underlätta arbetet.
Företaget ECMEC AB, som konstruerar och levererar hydrauliska fixturer, har i dagsläget en teststation där endast trycket är manuellt justerbart. De har sett ett behov av en ny teststation både för egna produkter, samt för övrig marknad av hydrauliska fixturer.
1.3 Syfte och mål
Syftet är att skapa förståelse för hur man uppnår en ergonomisk och användarvänlig teststation för hydrauliska fixturer, där hudraultryck och flöde är justerbart, med hjälp av produktutveckling och utgångspunkt i en befintlig teststation. Målet är att föreslå en lösning i form av CAD-modell som prototyp där de ställda kraven uppfylls.
1.4 Frågeställningar
1. Hur undersöks de krav som ställs på en ergonomisk och användarvänlig teststation för hydrauliska fixturer?
2. Hur uppfylls de ställda kraven för teststationen, samt hur implementeras dem på bästa sätt?
1.5 Studiens relevans
Denna studie har en samhällsrelevans då automatisering i
tillverkningsindustrin ger bättre effektivitet, kvalitet och arbetsmiljö i form av ergonomi. Om det förekommer dåliga ergonomiska förhållanden på arbetsplatsen kan leda till förslitningsskador och personligt lidande, därför är ergonomi extra viktigt ur samhällets perspektiv.
Mathiassen och Olofsson (2007) förklarar att under år 2005 uppgick samhällets kostnader för sjukersättning och sjukskrivningar till över 100 miljarder kronor, vilket motsvarar drygt 250 miljoner kronor varje dag.
Hydrauliska fixturer är en del av automatiseringen och en teststation bidrar till att både justera in fixturer vid tillverkning och underlätta underhåll av dem.
För företaget kommer studien bidra med förslagsunderlag till en ny produkt som underlättar arbetet med funktionsprovning av hydrauliska fixturer.
Studien är relevant ur ett forskningsperspektiv för att undersöka lämpliga metoder om hur produktutveckling av en teststation går till väga.
1.6 Avgränsningar
Arbetet kommer endast att beröra teststationen och inte de hydrauliska fixturer som den kopplas samman med. Med avseende på innehållet i utbildningen kommer inte alla områden hos teststationen behandlas fullt ut, som: hydraulik, elektronik och programmering. Till hydraulsystemet kommer expertis att tas till hjälp.
Prototypen kommer att begränsas till att vara en teoretisk lösning. Den färdigställda teststationen ska uppfylla krav för CE-märkning och
arbetsmiljöverket men för att hålla arbetets helhet inom tidsramen, på 15 högskolepoäng, kommer det inte att verifieras.
2. Metod
I metodkapitlet redogöras de vetenskapliga infallsvinklarna som kommer ligga till grund för rapporten. Kapitlet kommer stegvis beskriva hur arbetet ska genomföras, hur författarna förhåller sig till den presenterade
forskningsetiken samt hur en god kvalitet uppfylls.
2.1 Forskningsdesign
Enligt Blomkvist och Hallin (2014) ska forskningsdesignen styra studien i rätt riktning för att lösa problematiseringen. Forskningsdesignen har även uppgift att hitta rätt empiriskt material till studien. Det finns ett flertal forskningsdesigner att välja mellan beroende på vad syftet med undersökningen är.
För att på bästa sätt svara på frågeställningarna och syftet i rapporten kommer grunden till forskningsdesignen att vara Design Research Methodology (DRM), den svenska översättningen kan jämföras med konstruktions- eller produktutvecklingsforskning. Anledningen till att valet föll på denna forskningsdesign är för att studiens syfte är att utveckla en produkt utifrån ställda krav, vilket i stora drag är vad DRM handlar om. Den generella forskningsdesignen enligt DRM beskrivs i Figur 1. De fyra
iterativa huvudstegen som ingår i DRM är:
1. Klargörande av forskningsuppgift – Problematiseringen, syfte och mål skapas med utgångspunkt i antaganden samt relevant litteratur.
2. Beskrivande studie I – Noggrannare litteraturgenomgång kompletterat med empiriska studier, detta ger en klar nulägesbeskrivning.
3. Föreskrivande studie – Nulägesbeskrivningen från steg 2 jämförs med den framtagna bilden från steg 1, justeringar och utveckling tillämpas. Resultatet av steg 3 är ett stöd för utveckling av ett färdigt koncept.
4. Beskrivande studie II – Konceptet från steg 3 skall utvärderas och kontrolleras mot syfte och mål från steg 1, med avseende på användbarhet och resultat från användning.
(Gustavsson & Säfsten 2019)
Figur 1: Design Research Methodology.
Modifierad illustration (Gustavsson & Säfsten 2019).
Studiens forskningsdesign har som utgångspunkt att uppfylla syftet med undersökningen och de metoder som väljs ska ge svar på frågeställningarna.
Då DRM är en omfattande process har forskningsdesignen anpassats så den ligger inom tidsramen för examensarbetet, se Figur 2.
Studien inleds med ett företagsbesök där en första intervju ska utföras med företagshandledare och berörd personal för att få bättre förståelse kring problemet. En översiktlig litteraturgenomgång för ytterligare kunskap och förståelse utförs för att därefter färdigställa problematiseringen.
För att få en bättre förståelse inom berörda områden ska en fördjupad litteraturstudie genomföras. När litteraturstudien är genomförd väljs
lämpliga metoder och datainsamling av empiriskt material ut som ska hjälpa till att besvara undersökningens frågeställningar. Utifrån insamlad kunskap och empiriska data sammanställs en kravspecifikation och
konceptgenereringen påbörjas.
Utfallet av konceptgenereringen analyseras och utvärderas för att säkerställa att kravspecifikationen är tillgodosedd. Koncepten rangordnas och bästa alternativet väljs ut för att skapa en modulerad prototyp. Slutligen överlämnas resultatet av studien till företaget som underlag för vidareutveckling.
Figur 2: Forskningsdesign.
2.2 Metodval
2.2.1 Kvalitativ eller kvantitativ forskning
En studie kan vara antingen kvalitativ eller kvantitativ. Skillnaden består huvudsakligen av att kvantitativt är mätbart i siffror så att statistik kan skapas, medan kvalitativ mer beskriver en fördjupad förståelse för ett visst område. För att kunna utföra en kvantitativ studie måste en stor mängd data samlas in, exempelvis genom enkätundersökningar. Kvalitativa studier använder främst metoder som intervjuer och observationer (Blomkvist &
Hallin 2014). Då denna studie inte kommer att samla in någon stor mängd data utan främst få information via intervjuer med personer som har insikt i problemet och observationer på företaget kommer en kvalitativ metod att tillämpas.
2.2.2 Förhållandet mellan teori och empiri
Inom vetenskapligt arbete finns det tre förhållningssätt när teori och empiri ska relatera till varandra och dessa är: deduktion, induktion och abduktion.
Deduktion utgår från befintliga teorier och principer, och med den kunskapen skapas en hypotes som därefter prövas mot verkligheten i det aktuella fallet. Induktion startar med att det aktuella fallet studeras i verkligheten innan någon etablerad teori undersöks (Davidson & Patel 2019).
Abduktion innebär att studien växlar mellan empiriska data som observeras i verkligheten och teori i litteraturen, detta för att skapa en bättre förståelse (Blomkvist & Hallin 2014). Då problemet som undersöks i denna studie har både empiriskt och teoretiskt underlag kommer en abduktiv ansats användas.
2.2.3 Datainsamling
Enligt Gustavsson och Säfsten (2019) kan urval från en population ske antingen med representativt eller explorativt urval. Ska en kvantitativ studie utföras kan en representativ grupp väljas ut för att ge en bild av hela
populationen genom att antingen använda ett sannolikhetsurval eller icke- sannolikhetsurval. Explorativt urval innebär att man aktivt väljer ut
intervjupersoner som kan belysa det fenomen som undersökas, vilket är mer anpassade för kvalitativa studier.
Data som samlas in kan antingen vara primär- eller sekundärdata. Skillnaden mellan dessa är att primärdata är information som man själv får fram,
exempelvis genom intervjuer och observationer, medan sekundärdata kan hämtas från litteratur där någon annan har samlat in, analyserat och presenterat informationen. En litteraturstudie måste genomföras för att få kunskap om vad forskningen redan sagt om aktuellt område (Blomkvist &
Hallin 2014).
En av de vanligaste metoderna för att samla in empiriskt material i en
kvalitativ studie är intervjuer. Enligt Blomkvist och Hallin (2014) är intervju som metod särskilt lämpligt i början av en studie för att få en fördjupad förståelse inom området och lättare hitta grundorsaken till problemet.
En annan vanlig metod för datainsamling är observation och i vetenskapligt syfte ska den vara förberedd och strukturerad. Observationen innebär att man ska betrakta olika fenomen inom ett visst område för att samla in information (Gustavsson & Säfsten 2019).
Då rapporten är en kvalitativ studie kommer mycket primärdata samlas in genom intervjuer och observationer. De personer som ska ingå i dessa intervjuer ska noga väljas ut explorativt. Den sekundärdata som används i studien kommer från relevant litteratur inom berörda ämnen.
Observationerna kommer ha störst fokus på den befintliga teststationen och
vilka förbättringsmöjligheter som går att integrera, både ur ett ergonomiskt men även funktionellt perspektiv.
2.3 Forskningskvalitet och etik
2.3.1 Forskningsetik
Etik inom vetenskapligt arbete innebär att forskare ska följa viss praxis så att ingen skadas av arbetet. Som forskare ska man under processen förhålla sig opartisk, så att resultatet kan värderas av läsaren. Det är därför viktigt att en regelrätt källhänvisning tillämpas till alla sorter av källor under arbetet.
Enligt Blomkvist och Hallin (2014) har Vetenskapsrådets skrift fyra huvudkrav på ett vetenskapligt arbete, som lyder:
Informationskravet – personer som deltar behöver känna till syftet med studien.
Samtyckeskravet – de personer som deltar behöver godkänna medverkan i studien.
Konfidentialkravet – material och data som införskaffas under studien ska behandlas konfidentiellt.
Nyttjandekravet – den insamlade data får endast nyttjas till studiens angivna syfte.
2.3.2 Ingenjörsetik
Etik inom ingenjörsvetenskap handlar om att vissa normer ska följas.
Sveriges ingenjörer (2019) har tagit fram en hederskodex, med tio punkter, som ingenjörer förväntas att följa. De tio punkterna är följande:
• Ingenjören bör i sin yrkesutövning känna ett personligt ansvar för att tekniken används på ett sätt som gagnar människa, miljö och
samhälle.
• Ingenjören bör sträva efter att förbättra tekniken och det tekniska kunnandet i riktning mot ett effektivare resursutnyttjande utan skadeverkningar.
• Ingenjören bör ställa sitt kunnande till förfogande i offentliga och enskilda sammanhang för att uppnå bästa beslutsunderlag och belysa teknikens möjligheter och risker.
• Ingenjören bör inte arbeta inom eller samverka med företag och organisationer av tvivelaktig karaktär eller med mål som strider mot personlig övertygelse.
• Ingenjören bör visa full lojalitet mot arbetsgivare och arbetskamrater.
Svårigheter härvidlag bör tas upp till öppen diskussion, i första hand på arbetsplatsen.
• Ingenjören får inte använda otillbörliga metoder i tävlan om anställning, uppdrag eller beställning, ej heller försöka skada kollegors anseende genom obefogade beskyllningar.
• Ingenjören bör respektera anförtrodda upplysningars konfidentiella natur samt andras rätt till uppslag, uppfinningar, utredningar, planer och ritningar.
• Ingenjören får inte gynna obehöriga intressen och bör öppet redovisa ekonomiska och andra intressen som kan påverka tilltron till hans eller hennes opartiskhet och omdöme.
• Ingenjören bör enskilt och offentligt, i tal och skrift, sträva efter ett sakligt framställningssätt och undvika felaktiga, missvisande eller överdrivna påståenden.
• Ingenjören bör aktivt stödja kollegor, som råkar i svårigheter på grund av ett handlande i enlighet med dessa regler, samt enligt bästa övertygelse avstyra brott mot dem.
(Sveriges ingenjörer 2019)
2.3.3 Validitet och reliabilitet
I en vetenskaplig studie är det viktigt att arbeta med validitet och reliabilitet för att utvärdera kvaliteten. Kortfattat innebär validitet att rätt sak mäts eller studeras medan reliabilitet betyder att det görs med rätt metod. En hög tillförlitlighet, med andra ord hög reliabilitet, uppnås om en upprepad mätning skulle ge samma resultat (Blomkvist & Hallin 2014).
Genom att intervjua involverad personal, med högst kunskap i berörda områden, hålls en hög reliabilitet. Under studiens genomförande kommer regelbunden kontakt föras mellan studenter och handledare från både universitet och fallföretaget för att säkerställa hög validitet och reliabilitet.
2.3.4 Forskningskvalitet
I studien kommer författarna att följa dessa etiska riktlinjer och redovisa de källor som använts. De angivna källorna i arbetet är noggrant utvalda och opartiskt granskade för att uppnå hög kvalitet. Detta ger läsaren möjlighet att göra en egen tolkning av arbetets innehåll. De personer som deltar och intervjuas i studien kommer att informeras om syftet samt ge sitt
godkännande för medverkan. Empiri som genereras från datainsamlingen kan innehålla information som inte bidrar till studien och i dessa fall ska aktuella data hållas konfidentiell.
3. Litteraturgenomgång och teori
Arbetet kommer att presentera en relevant litteraturgenomgång om tidigare forskning för produktutveckling och ergonomi, som anses viktiga för studien.
Den teori som presenteras kommer att användas i studien för att uppnå dess syfte, frågeställningar och mål.
3.1 Litteraturgenomgång
3.1.1 Produktutveckling
Enligt Hou m.fl. (2019) har man studerat och analyserat hur kunder och användare av olika produkter recenserar dem online för bättre kunna dra nytta av dessa åsikter till kommande produktutvecklingar. Författarna av artikeln drar slutsatsen att det är fem nyckelbegrepp som en användare utgår ifrån: produktfunktion, känslor, uppfattning, prisvärdhet och
användaromständigheter. Detta innebär att det är viktiga aspekter att ta hänsyn till vid produktutveckling.
3.1.2 Ergonomi
Enligt Mathiassen och Olofsson (2007) medför en god ergonomi många fördelar ur ett företags- och organisationsperspektiv. Genom aktivt arbete med ergonomi går det att uppnå en ökad lönsamhet, högre kvalitet samt en mer attraktiv arbetsplats. Detta är även relevant för både samhället och den enskilde individen då sjukskrivningar minskar och hälsan blir bättre.
Nuebert m.fl. (2012) utförde en studie hos en stor biltillverkare om
ergonomi inom produktionen. I studien konstaterar man att en bra ergonomi på arbetsplatsen leder till bättre kvalitet och produktivitet.
Enligt Rose m.fl. (2019) beskriver de hur små förändringar på en arbetsplats kan ha stor inverkan på människans hälsa. I artikeln framgår det genom intervjuer att arbetare till ett företag har fått besvär med sin nacke, samt axlar och handleder, genom ett icke ergonomiskt arbetssätt. Författarna beskriver att justering av arbetsvanor, samt göra arbetsplatsen mer ergonomisk, gav ett positivt resultat.
3.2 Teori
3.2.1 Produktutveckling
Produktutvecklingsprocessen avser den metod som används vid utveckling av nya fysiska produkter eller tjänster. Produktutveckling skall medföra ett resultat i form av en vara eller tjänst som uppfyller de förväntningar och krav som ställs, samtidigt som företaget vill uppnå en hög kvalitet, låg ledtid och låg kostnad. Genomförandet av systematisk produktutveckling med tydligt definierade delmoment har sitt ursprung i Japan. Detta
uppmärksammades under 1960-talet då japanska företag började konkurrera med företag från Västvärlden då japanarna hade högre kvalitet, bättre funktionalitet samt till ett lägre pris (Johannesson, Persson & Pettersson 2013).
Produktutvecklingsprocessen följs av en kedja som startar med att identifiera behovet på marknaden och avslutar med att producera, sälja och leverera en produkt. Alla företag som arbetar med produktutveckling utgår ofta från en mer generell metod, som senare anpassas efter den individuella
arbetsgången. De generella stegen för produktutveckling visas i Figur 3 (Eppinger & Ulrich 2012).
Figur 3: Generella produktutvecklingsstegen.
Modifierad illustration (Eppinger & Ulrich 2012).
3.2.1.1 Identifiera behov
Att identifiera kundbehov är första steget i produktutvecklingsprocessen.
Målet med detta steg är att:
• Produkten ska fokusera på kundbehov.
• Hitta dolda och tydliga behov.
• Leverera underlag för en produktspecifikation.
• Säkerställa att inga kundbehov försummas.
Behoven används som en vägledning för att skapa produktspecifikationer, konceptgenerera och val av koncept. De upprättade specifikationerna kommer att påverkas av vad som är ekonomiskt och tekniskt genomförbart men även vad marknaden har att erbjuda.
Enligt Ulrich och Eppinger (2014) har struktur stor betydelse i att underlätta effektiv produktutveckling. Strukturen kan ses som en startpunkt som kan anpassas efter varje situation. De fem generella stegen är:
1. Hämta data från kunder – Detta kan vara intervjuer med fokusgrupper och observationer.
2. Tolka data och översätt till kundbehov – Uttalanden och observationer översätts till kundbehov.
3. Organisera behoven hieratiskt – Rangordna och strukturera behoven.
4. Fastställ behovens betydelse – Betygsätt behoven.
5. Reflektera och analysera resultatet – Säkerställ att genererad behovslista är relevant.
(Eppinger & Ulrich 2012)
3.2.1.2 Produktspecifikationer
Produktspecifikationen avser den exakta beskrivningen av vad en produkt ska utföra. Specifikationen består av mätbara egenskaper och värden. I specifikationen framgår det inte hur en produkt ska uppfylla kundbehov utan endast vad produkten ska åstadkomma. Innan konceptgenerering genomförs skaps målspecifikationer och detta sker innan alla tekniska begräsningar är klargjorda. Det kan medföra att alla målspecifikationer inte fullt ut uppfylls, samtidigt som andra överträffar dess förväntan beroende på vilket
produktkoncept som väljs. För att bestämma de slutliga
produktspecifikationerna måste ibland svåra avvägningar utföras (Eppinger
& Ulrich 2012).
Kundbehov kan skilja sig i svårighetsgrad att översättas till
produktspecifikationer. Exempel på enkelt genomförbart kundönskemål kan vara att produkten inte får överstiga ett visst pris. Det blir betydligt svårare att genomföra om kundönskemålet innefattar ”snygg design”, då det är subjektivt.
3.2.1.3 Konceptgenerering
En konceptgenerering ska resultera i ett produktkoncept som grovt ska beskriva varan eller tjänstens teknik, verkningssätt och utformning. Ett koncept kan beskrivas på olika sätt, bland annat genom en handgjord skiss med tillhörande förklarande text.
I produktutvecklingsprocessen är konceptgenereringen förhållandevis billig och snabb att genomföra i jämförelse med de andra stegen (Eppinger &
Ulrich 2012).
I konceptgenereringsfasen är målet att skapa flera koncept som uppfyller produktspecifikationens kriterier, det vill säga, man vill generera så många koncept det går för att säkerställa att alla tänkbara lösningar är utforskade.
En väl genomförd produktspecifikation är en bra grund för detta då den innehåller alla funktionella kriterier och krav som ska beaktas. För att systematiskt söka lösningar bör följande steg utföras:
1. Uttryck problemet brett och utan förbestämd lösning – Det första steget innebär att formulera problemet bredare och mer abstrakt för att hitta fler generella lösningar.
2. Genomför en funktionsanalys och därefter bryt ner
produktfunktioner i delfunktioner – Med utgångspunkt i den abstrakta listan, från steg ett, utförs en funktionsanalys där
produktfunktionerna bryts ner i delfunktioner som visar vad som ska utföras, se Figur 4.
Figur 4: Funktionsanalys.
Modifierad illustration (Johannesson, Persson & Pettersson 2013).
3. Sök lösningar till delfunktioner – Genomförandet av denna kreativa process kan struktureras med olika metoder, som exempelvis
brainstorming. Under detta steg genereras så många lösningsförslag som möjligt.
4. Kombinera lösningsförslag till delfunktionerna som resulterar i en totallösning för produkten – Olika dellösningsalternativ kombineras med hjälp av en morfologisk matris, se Tabell 1, för att skapa ett totallösningsalternativ. Detta utförs i följande moment:
1) För in delfunktioner och lösningsalternativ i en morfologisk matris.
2) Kombinera dellösningsalternativ i matrisen till en totallösning och välj endast ut dem som är praktiskt genomförbara.
3) Sortera bort de totallösningar som är orimliga av olika skäl. De kvarstående går vidare till konceptval.
Tabell 1: Utformning av morfologisk matris.
Modifierad från (Johannesson, Persson & Pettersson 2013).
(Johannesson, Persson & Pettersson 2013)
3.2.1.4 Konceptval
Konceptval är det utvecklingsförlopp där genererade koncept bedöms i förhållande till behov samt andra kriterier. I detta skede jämförs för- och nackdelar med varandra innan ett eller flera koncept väljs ut för vidare granskning och utveckling.
Det finns ett flertal olika konceptvalsmetoder att välja mellan. Metoderna kan, till exempel, variera mellan: känslostyrda, prototypstyrda tester eller enkätundersökningar. En strukturerad och systematisk konceptvalsmetod är Pughs konceptvalsmatris. Syftet med denna metod är att utgå från flera koncept och på ett systematiskt sätt sålla fram den bästa totallösningen.
Enligt Ulrich och Eppinger (2014) finns det sex steg man ska genomföra för konceptsållning med Pughs konceptvalsmatris, de lyder:
1. Förbereda konceptvalsmatrisen – först steget är att förbereda en matris där koncept och kriterier förs in. Den översta raden i matrisen innehåller de genererade koncepten och den vänstra kolumnen beskriver olika urvalskriterier, se Tabell 2. Alla koncept ska vara lika väl presenterade, gärna i form av text och en skiss. Kriterierna listar olika kund- och företagsbehov, då företagets aspekt kan vara rent ekonomiskt, t.ex. tillverkningskostnad. Kriterierna omfattar olika områden och ska lätt kunna särskilja koncepten. För att kunna jämföra de genererade koncepten väljs en referensprodukt ut och det kan vara en: tidigare modell, konkurrent eller standard.
2. Betygsätta koncepten – i detta steg ska alla urvalskriterier för de genererade koncepten betygsättas i förhållande till
referensprodukten. Om konceptet är likvärdigt med referensen ges betyget noll (0), bättre än genererar ett plus (+) och sämre ger ett minus (-).
3. Rangordna koncepten – efter betygsättningen av koncept ska en rangordning utföras. Rangordningen kommer att summera alla betyg (0, +, -) som kommer visa hur konceptet förhåller sig till referensen.
När alla kriterier är betygsatta summeras alla plus och minus för respektive koncept. Därefter utförs en subtraktion mellan plus- och minusbetygen.
4. Kombinera och förbättra koncepten – efter rangordning av koncept bör en kontroll utföras för att se om de olika koncepten går att kombineras med varandra. Enligt Ulrich och Eppinger (2014) finns det följande punkter att överväga:
• Finns det ett koncept som generellt är bra men som försämras av en dålig egenskap eller kan en mindre förändring förbättra konceptet?
• Finns det två koncept som kan kombineras för att behålla betygen plus (+) men eliminera minus (-).
De modifierade/kombinerade koncepten får en ny kolumn i matrisen som betygsätts, och därefter genomförs en ny rangordning.
5. Välja ett eller flera koncept – när varje koncepts har utvärderats från föregående steg utses de koncept med högst poäng för
vidareutveckling och analys.
6. Reflektera över resultaten och processen – i slutskedet ska det valda konceptet undersökas och utvärderas. Tanken är att detta är det sista steget i en konceptsållning, som kommer redogöra om resultatet är tillräckligt bra eller om ytterligare förbättringar krävs.
Tabell 2: Exempel på Pughs konceptvalsmatris.
Modifierad från (Ulrich & Eppinger 2014).
Urvalskriterier
Koncept
Referenskoncept
Koncept A
Koncept B
Koncept C
Produktmål 1 0 + - 0
Produktmål 2 0 + + -
Produktmål 3 0 + + +
Produktmål 4 0 0 + -
Produktmål 5 0 0 + 0
Produktmål 6 0 - 0 0
Produktmål 7 0 0 + -
Produktmål 8 0 + + -
Antal + 0 4 6 1
Antal - 0 1 2 4
Antal 0 8 3 1 3
Slutbetyg 0 3 4 -3
Rangordning 3 2 1 4
Fortsätta? Kombinera Nej Ja Kombinera
(Ulrich & Eppinger 2014).
3.2.1.5 Detaljkonstruktion
Under denna del skapas fullständiga specifikationer av produktens geometrier, material och toleranser. Resultatet av detaljutvecklingen är konstruktionsritningar eller CAD-filer för alla komponenter som ingår. De komponenter som ska köpas in från leverantörer identifieras och specificeras (Eppinger & Ulrich 2012).
3.2.1.6 Prototyp
Prototyper kategoriseras vanligtvis som virtuella eller fysiska. En virtuell prototyp, i exempelvis CAD, är en modellering eller simulering genom datorstödda program. Virtuella prototyper ger en överblick för produktens olika vinklar och geometrier innan någon fysisk prototyp framställs, men kan även simulera prototypens mekaniska egenskaper. Ett verktyg för beräkningsmodeller är FEM (finita elementmetoden) som utvärderar en produkts hållfasthet.
En fysisk prototyp är slutprodukten av ett koncept och den ska visa form, egenskaper och verifiera de olika funktionerna (Johannesson, Persson &
Pettersson 2013).
3.2.2 Brainstorming
Brainstorming är en process som innebär sökning inom en grupp, eller individuellt, där den interna kunskapen och kreativiteten används för att hitta lösningar till ett specifikt problem eller uppgift.
Enligt Ulrich och Eppinger (2014) finns det fyra användbara riktlinjer för att genomföra en bra brainstorming, dessa är följande:
1. Skjuta fram beslutet – Låt brainstorming ta tid och lås inte fast en lösning för tidigt, då konceptet kommer att ligga till grund för produkten.
2. Generera många idéer – Ju fler idéer som genereras desto större sannolikhet att hela området har utforskats. Olika idéer kan kombineras med varandra.
3. Välkomna idéer som verkar omöjliga – Ogenomförbara idéer vidgar vyerna för olika lösningar till problemet som annars inte hade uppdagats.
4. Använd grafisk och fysisk media – Text och språk kan oftast vara svårtolkade vid brainstorming. För att tydliggöra detta kan en modell, grafisk eller fysik, vara användbar.
3.2.3 Ergonomi
Det är viktigt att arbetsplatser är utformade efter människans egenskaper och för att uppnå en bra kvalitet på produkter är de ergonomiska arbetsvillkoren centralt för ett företag. Ergonomiska lösningar innebär bättre förutsättningar för att arbetet utförs på korrekt sätt och en arbetsplatsutformning inleds med en grundlig analys av arbetsuppgifter samt de verktyg som är nödvändiga.
Det är viktigt att personen som ska genomföra arbetet, i möjligaste mån, medverkar när arbetsplatsen utformas (Bohgard m.fl. 2015).
Mathiassen och Olofsson (2007) förklara att inom ergonomi används begreppet värdekedja för att beskriva hela processen för en produkt, från förstudie till utformning av arbetsplatsen.
Värdekedjan kan delas in i flera steg som: produkt, process,
arbetsorganisationen, arbetsplats samt individ. När en ny produkt utvecklas är det framför allt viktigt att villkoren för produkten utformas i form av:
kundmedverkan, produktbeskrivning, produktutformning, materialval och livscykel.
I början av ett nytt projekt har man störst möjlighet att skapa förutsättningar för en god ergonomi. Att behöva anpassa en befintlig produkt i ett senare skede kan ha stora ekonomiska konsekvenser, detta illustreras i Figur 5.
I detta skede är det bra att skapa samarbete mellan de olika aktörerna från
värdekedjan. Under denna process är valmöjligheterna många och ifall arbetet utformas med ergonomiska villkor kan det resultera i en positiv påverkan för kommande steg i värdekedjan.
Figur 5: Kostnad för sena ändringar (Mathiassen & Olofsson 2007).
Goda resultat kan uppnås genom ett bra samarbeta med hela verksamheten, men framför allt med användaren eller kunden. Man måste även ta hänsyn till framtida underhålls- och servicearbete för produkten då det ökar
förutsättningarna för att användandet i produktens hela livscykel kan utföras under bra ergonomiska förhållanden (Mathiassen & Olofsson 2007).
3.2.3.1 Arbetsställningar och arbetsrörelser
Definitionen av en god arbetsställning betyder att kroppens alla muskler och leder ansträngs nära sina neutrala positioner. Bra arbetsrörelse innebär att kroppens muskler och leder kan röra sig fritt, men att det även finns potential till variation och pauser.
För att minska belastande kroppsställningar kan dessa riktlinjer vara bra att undvika:
• Framåtlutande ställning för kroppen och huvudet.
• Vridna och asymmetriska ställningar.
• Kroppsställningar som innebär att lederna måste hållas i sina yttre lägen under en längre tid.
Felaktig arbetshöjd kan orsaka problem för både rygg och nacke, därför är arbetshöjden en betydelsefull faktor för en arbetsstation. Då människor har olika kroppsmått krävs det ofta inställningsmöjligheter för att erbjuda goda arbetsställningar. Intervallet för bekväm arbetshöjd vid stående arbete ligger mellan 80-140cm från marken, se Figur 6.
Arbetshöjden påverkas av storleken på objektet som placeras på arbetsytan.
Om arbetshöjden är för hög behöver armarna anpassa sig till en obekväm och felaktig position som skapar en statisk belastning. För att undvika detta finns följande rekommendationer:
• Precisionsarbete – för att vara noggrann och optimera ett arbete bör höjden vara 5 – 10 cm över armbågshöjden.
• Lätt manuellt arbete – ansträngning som ej kräver en noggrann precision ska vara 5 – 10 cm under armbågshöjd.
• Tyngre arbeten som kräver nedåtriktad manuell kraft – 15 – 40 cm under arbetshöjden.
Figur 6: Ergonomiska arbetshöjder för stående arbete (Mathiassen & Olofsson 2007).
En ytterligare viktig aspekt att ta hänsyn till gällande belastning på kroppen är arbetsavståndet. Det optimala arbetsområdet är i armbågshöjd 20 – 30 cm från kroppen och den yttre gränsen är 40 – 50 cm, se Figur 7. Vid stående arbete är räckvidden något större än vid sittande men avståndet är den
avgörande faktorn för belastningens storlek. Om ett arbetsavstånd är för stort är en lämplig åtgärd att tilta arbetsobjektet för att förbättra åtkomligheten.
Figur 7: Ergonomiska arbetsavstånd (Mathiassen & Olofsson 2007).
Huvudet- och nackpositionen bestäms till stor del av hur ett objekt placeras och observeras, samt graden av precision på det arbete som utförs. Det finns undersökningar som visar att den mest optimala siktlinjen är 15° under synens horisontallinje, men även 30-45° är acceptabelt, se Figur 8. Detta område kan utökas om nacken skulle böjas upp eller ner, men inget som rekommenderas under en längre tidsperiod. I Bilaga 1 visas medelvärden för kroppsmått hos kvinnor och män.
Figur 8: Ergonomiskt siktområde (Bohgard m.fl. 2015).
(Mathiassen & Olofsson 2007, Bohgard m.fl. 2015) 3.2.3.2 Människa-Maskin, informationsergonomi
Gränssnittet mellan människa och maskin kallas för HMI (Human Machine Interface). För att det ska bli enkelt för människan att manövrera en maskin är det viktigt att skapa en bra HMI, i många fall kan det vara fördelaktigt med individuella inställningar så arbetet kan optimeras (Hågeryd, Björklund
& Lenner 2005).
Hur information presenteras och utformas lättförståeligt men även hur reglage placeras lättillgängligt för att undvika felmanövrar kallas för informationsergonomi. Information via dataskärmar ersätter till stor del analoga instrument och detta ökar möjligheten att presentera information på ett optimalt sätt. Till dataskärmen är det bättre att använda sig av bilder och symboler för att presentera information i stället för ren text.
Det finns tre viktiga principer som handlar om hur reglage placeras och utformas:
• Viktighetsprincipen – i första hand ska de viktigaste reglagen samt informationen placeras centralt och vara lättåtkomligt. Exempelvis ska ett nödstopp placeras tydligt och nära en operatör.
• Användarvänligfrekvens – reglage som används frekvent samt information man ofta behöver tillgång till placeras lättillgängligt.
• Användningsföljden – reglage som regelbundet används i samma följd placeras nära varandra.
(Bohgard m.fl. 2015)
3.2.4 Computer Aided Design (CAD)
CAD står för Computer Aided Design som på svenska blir datorstödd konstruktion. Det används för att med hjälp av datorstöd kunna generera både 2D och 3D geometrier för tekniska lösningar. Tidigare utfördes alla ritningar och skisser för hand, men med teknikutvecklingen så sker detta nu i princip uteslutande med hjälp av datorer. Den moduleringen som genomförs med CAD ger en mycket bra överblick om hur produkten kommer att se ut (Johannesson, Persson & Pettersson 2013).
3.2.5 Plan, Do, Study, Act (PDSA)
Krav på hög kvalitet och nya tekniska lösningar ökar ständigt. För att kunna möta dessa krav så måste man hela tiden arbeta med ständiga förbättringar, både för produkter och processer. En bra metod för att uppnå förbättringar är PDSA som står för ”Plan-Do-Study-Act” (”Planera-Gör-Studera-Lär”) (Bergman & Klefsjö 2012).
PDSA är en cykel som är tänkt att upprepas flera gånger för att man ska kunna följa upp och förbättra succesivt, se Figur 9. Enligt Bergman och Klefsjö (2012) beskrivs stegen i PDSA som:
• Planera – vid uppkomsten av problem är det viktigt att i ett tidigt skede fastställa grundorsaken. Är det större problem behöver de brytas ner i mindre delproblem. Förändringar som ska utförs måste baseras på fakta.
• Gör – det som planerats i föregående fas ska nu genomföras, antingen i små steg och tester eller ändring i full omfattning beroende på situationen.
• Studera – när förändringen är genomförd är det viktigt att analysera resultatet så att målen från planeringsfasen blir uppfyllda. Vid uppnått resultat måste förändringarna dokumenteras så att den positiva effekten kan bibehållas.
• Lär – avslutningsvis sammanställs information för att kunna ta lärdom av arbetet. Om resultatet inte blev enligt förväntningarna är det viktigt att ta reda på varför och därefter genomföra PDSA-cykeln igen. Vid positivt utfall är det viktigt att skaffa sig underlag för att göra förbättringen permanent.
Figur 9: PDSA-cykeln.
Modifierad illustration (Bergman & Klefsjö 2012).
3.2.6 Fixturer
Enligt Björklund m.fl. (2018) är definitionen av en fixtur ett verktyg som håller arbetsstycket i ett fixerat läge i förhållande till det bearbetande verktyget. Definitionen antyder att all typ av fastlåsning av ett arbetsstycke är en fixtur, så kan man dela in fixturer i olika typer. Främst är det generella, flexibla eller produktanpassade fixturer. Ett exempel på generell fixtur kan vara chucken i en svarv som kan ses i Figur 10a. En flexibel fixtur utgår från ett modulbaserat system som är olika utformade beroende på leverantör, se Figur 10b. Speciella fixturer är anpassade för en specifik produkt vilket innebär att den inte går att använda till något annat som kan ses i Figur 10c.
En fixtur kan antingen ha manuell, pneumatisk, hydraulisk,
elektromagnetisk eller elektriskt manövrerad låsning (Hågeryd, Björklund &
Lenner 2018).
a) b) c) Figur 10: Olika fixturer a) chuckfixtur till en svarv (SanTool), b) modulbaserad fixtur (CarrLane),
3.2.7 Hydraulik
Hydraulik är den benämningen på tillämpning av hydromekaniska lagar, där både hydrostatik och hydrodynamik ingår. Exempel på olika
tillämpningsområden är att förflyttning av en kolv med hjälp av tryck [p]
ingår i hydrostatik, medan hydraultransmissioner där en vätskestråle träffar ett turbinblad för att skapa rörelse hör till hydrodynamiken.
Pascals lag ligger till grund för hydrostatiken och enligt Ingvast (1990) blir den i ord: ”Trycket i ett kärl fortplantar sig lika till alla delar av kärlet oberoende av kärlets form”. Rent teoretisk kan det förekomma
tryckskillnader beroende på höjddifferenser i systemet, men detta är försumbart i förhållande till arbetstrycket. Höjddifferens kan dock behöva tas hänsyn till om vätska ska sugas upp från tanken till en hydraulpump (Ingvast 1990).
Vid linjära rörelser fungerar en hydraulcylinder bra. Det finns både
enkelverkande, som kan utföra arbete [W] i en riktning, och dubbelverkande cylindrar där arbete kan utföras båda riktningarna vilket kan ses i Figur 11a och b.
a) b)
Figur 11: Hydraulcylindrar a) enkelverkande b) dubbelverkande
När kraften [F] är vinkelrät mot arean [A] passar det väl för tillämpningar av Pascals lag. Kraften i en hydraulcylinder kan då varieras med trycket när arean är konstant, dock kommer det alltid att finnas förluster från
exempelvis friktion som kan sänka verkningsgraden. Det utförda arbetet är när något flyttas en sträcka [s] med en kraft, detta gäller även för
hydraulcylindrar. I ett hydrauliskt system tillförs mekaniskt arbete genom exempelvis en elmotors drivning av en pump och sen bortförs mekaniskt arbete genom exempelvis en cylinders rörelse. Om systemet är helt
förlustfritt innebär det att 𝑊𝑖𝑛= 𝑊𝑢𝑡. Den effekt [P] som erhålls i förhållande till arbetet beror på tiden [t], och motsvarar den krävda effekten av motorn utan förluster inräknat (Ingvast 1990).
Vätskan som cirkulerar i ett hydrauliskt system har en hastighet och så länge den är oförändrad blir trycket konstant, men när en hastighetsförändring sker ändras trycket tillfälligt för att återgå när hastigheten åter blir konstant.
Volymflödet [Q] i systemet anger vilken volym som passerar under en specifik tid, och flödet påverkar vätskans hastighet [v] när arean är konstant.
Med hjälp av volymflödet och trycket kan effekt beräknas (Ingvast 1990).
Hydraulsystem arbetar med samverkan av pumpar, motorer och cylindrar som energiomvandlare där effektöverföring sker via trycket i vätskan. Ett hydraulsystems uppgift är inte enbart att utföra effektöverföring, utan dessutom skapa styrbara och reglerbara överföringar. Därför finns olika typer av styrventiler som: tryckreglerande ventiler, flödesreglerande ventiler samt riktnings- och spärrventiler. De kan styras antingen direkt mekaniskt med en spak eller indirekt via lufttryck, hydraultryck eller elektromagnet.
Som vätska i hydraulsystem används hydraulolja och dess uppgift är att fortplanta tryck och överföra effekt. Den ska även under varierande förhållanden behålla sina egenskaper som kemisk stabilitet, smörjande förmåga och rostskyddsförmåga. Oljan ska även transportera föroreningar och värme till filter och kylare (Parr 2011).
Enligt Parr (2011) är mineralolja, framställd av råolja som förädlats med additiva tillsatser, den vanligast förekommande hydrauloljan.
För att skapa tryck och volymflöde i hydraulsystem finns de olika
pumparna: kugghjuls-, ving- och kolvpump. Gemensamt för alla pumpar är att de har ett visst deplacement vilket innebär den teoretiska volym som passerar pumpen under ett axelvarv. Det finns pumpar med konstant eller variabelt flöde och tryck. Då reglering sker via pumpen erhålls en hög verkningsgrad i och med att både flöde och trycknivå från pumpen anpassas efter behovet. Om reglering i stället sker via tryckbegränsande ventil eller strypventil är verkningsgraden lägre då flöde återleds till tanken för att begränsa trycket. Vid stora effektnivåer och kontinuerliga drifter av hydraulsystem blir driftskostnaden betydelsefull med följden att krav på verkningsgrad ökar, då är pumpar med variabelt deplacement att föredra (Ingvast 1990).
3.2.7.1 Fördelar med hydraulik
Det finns fördelar med hydrauliska system jämfört med de alternativa tekniker som rent mekaniska, pneumatiska eller elektriska som i många fall kan utföra samma uppgift. I jämförelsen med pneumatik kan hydraulik arbeta med högt tryck vilket innebär att stora krafter kan skapas med mindre dimensioner. Hydrauliken blir också säkrare då vätskan i systemet kan anses vara inkompressibel och därmed inte lagrar någon energi under trycksättning som frigörs om den tillåts expandera, vilket är fallet med luften i ett
pneumatiskt system (Ingvast 1990).
3.2.7.2 Risker med hydraulik
Enligt Armour (Tigercat 2021) är en risk med hydrauliska system att det kan uppstå läckage under högt tryck. Små läckage i exempelvis en hydraulslang kan orsaka en nästan osynlig stråle som kan vara skadlig eller dödlig
beroende av tryck. Redan vid lägre tryck som sju bar kan de orsaka skador vid kontakt med huden.
3.2.8 Hållfasthet
3.2.8.1 Böjmoment, nedböjning och böjspänning i balkar
Det högsta böjmomentet samt nedböjningen i en balk uppstår då den belastas med en punktlast på mitten.
Nedböjning, även kallad deflektion 𝛿 [mm], av en balk uppstår när den exempelvis belastas med en punktlast, se Figur 12. Till beräkning av nedböjning i en balk krävs punktlasten P [N], längden L [mm], elasticitetsmodulen för materialet E [MPa] och tröghetsmomentet för geometrin på balken I [𝑚𝑚4].
𝛿𝑚𝑎𝑥 = 𝑃𝐿
3
48𝐸𝐼 Ekv. (1)
Figur 12: Balk med två stöd belastad med en punktlast (CiviLsite).
Vid beräkning av det maximala böjmomentet 𝑀𝑚𝑎𝑥 [Nmm] i en balk krävs punktlastens värde P [N] och balkens längd L [mm], förutsatt att balken är fritt upplagd med två stöd i ytterkant.
𝑀𝑚𝑎𝑥 = 𝑃∗𝐿
4 Ekv. (2)
När maximal böjspännig σ𝑚𝑎𝑥 [MPa] beräknas fås värdet på den spänning som uppstår i materialet under belastning. För att beräkna maximal
böjspänning behövs böjmomentet 𝑀𝑚𝑎𝑥 [Nmm] samt böjmotståndet Z [𝑚𝑚3].
σ𝑚𝑎𝑥 = Mmax
𝑍 Ekv. (3)
(Juvinall & Marshek 2017) 3.2.8.2 Säkerhetsfaktor
Ett uttryck för att beskriva förhållandet mellan sträckgränsen hos ett material och de spänningar som uppstår vid belastning kallas för säkerhetsfaktor.
Kvoten mellan sträckgränsen Sy [MPa] och σ𝑚𝑎𝑥 [MPa] ger säkerhetsfaktorn.
SF = 𝑆𝑦
σ𝑚𝑎𝑥 Ekv. (4)
Säkerhetsfaktorn är olika beroende på given situation. Enligt Joseph Vidosic kan följande riktlinjer användas:
1. SF = 1.25 – 1.5 pålitliga material som används under normala
förhållanden och utsätts endast för belastningar samt spänningar som kan bestämmas med stor säkerhet.
2. SF = 1.5 – 2 välkända material under konstanta (statiska)
förhållanden. Dessa är utsatta för belastningar och spänningar som lätt kan bestämmas.
3. SF = 2 – 2.5 genomsnittliga material som används i vanliga miljöer.
Dessa belastningar och spänningar kan enkelt räknas ut.
4. SF = 2.5 – 3 mindre vanliga eller spröda material under normala spännings- och belastningsförhållanden.
5. SF = 3 – 4 dåligt testat material som används vid genomsnittliga förhållanden under normala spännings- och belastningsfall.
(Juvinall & Marshek 2017)
3.2.9 Ytbehandling med färg
En färg som ytbehandling bidrar med korrosionsskydd samtidigt som det ger en estetisk yta. Färgen innehåller vanligtvis:
- Bindemedel som håller samman färgen och ökar vidhäftningsförmågan, klimatbeständighet och dess mekaniska egenskaper.
- Pigment och fyllmedel ger färglagret dess kulör, korrosionsskydd och täckförmåga.
- Lösningsmedel ger färgen korrekt konsistens vid användning.
Om flera färgskikt används som ytbehandling ska det första skiktet användas som grundfärg för att ge vidhäftning och öka korrosionsskyddet. Det andra skiktet ger vidhäftning till grundfärgen samt ökar tjockleken. Slutligen appliceras täckfärgen som ger ytan en bra motståndskraft men även en tilltalande yta.
(Leijon 2014)
4. Genomförande
I genomförandekapitlet beskrivs hur produktutvecklingsprocessen har genomförts, från identifiering av behov till val av koncept. Avslutningsvis presenteras en detaljkonstruktion för de olika komponenterna.
4.1 Nulägesbeskrivning
ECMEC AB är ett familjeföretag beläget i Växjö och startades 1983. De utför främst utveckling och konstruktion av specialmaskiner för bearbetning och montering, samt specialfixturer som oftast är hydrauliskt styrda. När utvecklingsarbete och konstruktionsritningar för en hydraulisk fixtur är färdigställda kontaktas underleverantör för tillverkning då ingen egen produktion finns. Hos underleverantören tillverkas fixturens alla delar och monteras ihop med övriga komponenter.
Med hjälp av en gammal teststation utförs injustering och tester för att säkerställa att fixturens funktioner fungerar korrekt samt att inga läckage förekommer. Avslutningsvis genomförs leveransgodkännande tillsammans med kunden. Den befintliga teststationen som kan ses i Figur 13 och 14 består av en rullvagn med monterat hydraulaggregat i botten som har ett fast flöde på 5,5 liter/minut och manuellt justerbart tryck via reglerventiler där maximala trycket är 250 bar.
Eftersom de hydrauliska fixturerna som testas med stationen ska anpassas till kunder som har olika bearbetningsmaskiner där varierande hydraultryck och flöde förekommer kan inte dagens teststation uppfylla testkriterierna.
Det finns samtidigt brister i användarvänlighet och ergonomi för operatören som bör åtgärdas när en ny teststation utvecklas.
Figur 13: Befintlig teststation ena långsidan.
Figur 14: Befintlig teststation ena kortsidan.
4.2 Identifiera behov
För att samla in empiriska data som ligger som grund till
produktspecifikationen har intervjuer och observationer genomförts, för att identifiera krav och önskemål. Dessa intervjuer och observationer har skett
dels hos fallföretaget, dels hos underleverantören för att få en helhetsbild.
Hos fallföretaget ECMEC AB har intervjuer genomförts med VD:n och företagshandledaren för studien, Daniel Eklund, samt konstruktör av hydrauliska fixturer Marcus Norrenge. Detta för att få flera infallsvinklar samt att de har störst inblick och kunskap om hydrauliska fixturer. Hos underleverantören intervjuades montören, Daniel Persson, som utför montering, justering och testning. För att utföra dessa tester använder montören den befintliga teststationen som också har observerats.
Möten för intervjuer och observation bokades med de utvalda personerna.
Inför mötena skapades en semistrukturerad intervjuguide som låg till grund för intervjuernas genomförande. Intervjuerna, samt observationen,
resulterade i en lista på uttalade behov som kategoriseras och rangordnas.
4.2.1 Intervjuer
Intervjuerna hos fallföretaget har genomförts med Microsoft Teams och spelats in, därefter transkriberats vad som sagts. Montören hos
underleverantören intervjuades i verkstadsmiljö och svaren antecknades. När samtliga intervjuer var genomförda sammanställdes de i två separata
dokument, se Bilaga 2 respektive 3.
4.2.2 Observation
Den befintliga teststationen, som vidareutvecklas, är stationerad hos underleverantören och där genomfördes en ostrukturerad observation som dokumenterades med anteckningar som kan ses i Bilaga 4 samt Figur 13 och 14. Målet med observationen var att generera ytterligare empiriska data som komplement till intervjuerna. Montören utförde även en genomgång med teststationens olika funktioner. Syftet med observationen var att studera teststationens ergonomi och användarvänlighet för att hitta
förbättringsmöjligheter. Ytterligare behov som identifierats vid observationen adderas till produktspecifikationen.
4.3.3 Produktspecifikationer
Utifrån de krav och önskemål som identifierats utformas Tabell 3 med endast de tekniska kraven. Dessa tekniska krav är utformade med uppdragsgivaren och framkom från intervjuer och observationen, övriga egenskaper bedöms som krav eller vanligt/starka önskemål i Tabell 4.
Tabell 3: Tekniska krav med värden.
Tekniska krav Värde Enhet
Justerbart tryck 20 – 230 Bar
Justerbart flöde 3 – 20 Liter/minut
Antal slangkopplingar 8 Styck
Mått inom EU-pallkrage 1150 x 750 mm
Tabell 4: Kategorier, egenskaper samt krav/önskemål.
Kategori Egenskap Krav /
Önskemål
Ergonomi Vinkel och vridbar display med korrekt höjd Starkt önskemål
Display på samma sida som inkoppling av slangar Önskemål
Slanghållare Önskemål
Placering av slangkopplingar Starkt önskemål
Avlastningsyta/Arbetsbänk Starkt önskemål
Förvaring i stationen, lådor Starkt önskemål
Förvaring för hydraulslang Önskemål
Krok till elkabel Starkt önskemål
Arbetsmiljöverket Krav
Hydraulik Justerbart tryck Krav
Justerbart flöde Krav
8st uttag för hydraulslangar med snabbkoppling Krav
Nivåmätare för oljenivå i tanken Starkt önskemål
Design Teststationen ska rymmas inom pallkragarna för en EU-pall Krav
Inspektionsmöjligheter för delsystemen i teststationen Starkt önskemål Robust konstruktion som klarar stötar Starkt önskemål
Smidig påfyllning av olja Krav
Snygg design Starkt önskemål
Uppsamlingskärl för olja i bottnen som klarar tankens volym. Även vid snabbkopplingar
Krav
Ljuddämpande isolering Önskemål
Fyra robusta hjul som klarar ojämnt underlag samt är vridbara i ena änden
Starkt önskemål
CE-märkning Krav
15,6” HMI-skärm Krav
Programmering Mäta tryckfall i fixturen under en viss tid Krav Trycksätta fixturen för läckagekontroll Krav
Utföra testcykler med protokoll Krav
Tidsfördröjning av simulering Starkt önskemål
Nivåmätare för oljenivå i tanken Starkt önskemål
Säkerställa fixturens funktion med rätt tryck och flöde Krav
