Tillverkning av gitarrband genom metallformsprutning jämfört med vaxursmältning

EXAMENSARBETE INOM MASKINTEKNIK,

Tillverkning av gitarrband genom

metallformsprutning jämfört med

vaxursmältning

av

Elias Thidell

Examensarbete TRITA-ITM-EX 2018:32 KTH Industriell teknik och management

Examensarbete TRITA-ITM-EX 2018:32 Tillverkning av gitarrband genom metallformsprutning jämfört med vaxursmältning Elias Thidell Godkänt 2018-06-11 Examinator KTH Claes Hansson Handledare KTH Claes Hansson Uppdragsgivare True Temperament AB Företagskontakt/handledare Anders Thidell Sammanfattning

Företaget True Temperament AB tillverkar idag gitarrband genom vaxursmältning. Banden måste efterbearbetas och monteras in i en greppbräda för att sedan skickas ut till kund. Det är dock ett kostsamt tillvägagångssätt som dessutom kräver tid och företaget vill hitta en ny lösning som kommer att hjälpa dem expandera verksamheten.

I denna rapport undersöks lämpligheten av metallformsprutning som en alternativ tillverkningsmetod genom intervjuer, observationer, litteraturstudier, experiment,

tidsberäkningar och kostnadskalkyler. Jämförelser görs genom tids- och kostnadsskillnader för gitarrband framställda genom respektive tillverkningsmetod. Fördelar och konsekvenser av metallformsprutning undersöks också eftersom de kan påverka utfallet i form av extra efterbearbetningstid och kostnader.

Bachelor of Science Thesis TRITA-ITM-EX 2018:32

Manufacturing of Guitar Frets Through Metal Injection Molding Compared to Block Molding

Elias Thidell Approved 2018-06-11 Examiner KTH Claes Hansson Supervisor KTH Claes Hansson Commissioner True Temperament AB

1. INLEDNING 1 1.1 Bakgrund 1 1.2 Mål 1 1.3 Avgränsningar 1 1.4 Metoder 2 2. NULÄGESBESKRIVNING 3 2.1 Vaxursmältningsprocessen 3 2.2 Leverantörspris 3 2.3 Kassationer 4 2.4 Beskrivning av gitarrbanden 4 2.5 Efterbearbetningsprocessen 5 2.5.1 Pressa in band i frässpår 5 2.5.2 Kapning av bandkanter 5 2.5.3 Radieslipning 5 2.5.4 Kantslipning 5 2.5.5 Återskapning av bandkrona 6 2.5.6 Polering 6

2.6 Anledning till val av vaxursmältning 6 2.7 Eftersträvade parametrar 6 2.7.1 Toleranser 6 2.7.2 Densitet 6 2.7.3 Ytjämnhet 6 3. TEORETISK REFERENSRAM 7 3.1 Metallformsprutning 7 3.1.1 Blandning 7 3.1.2 Gjutning 7 3.1.3 De-binding 8 3.1.4 Sintring 8

3.2 Parametrar efter metallformsprutning 8

3.5 Material 15

3.6 Övriga rekommendationer och begränsningar 15 3.7 Metoder för undersökningen 16

3.7.1 Intervjuer 16

3.7.2 Litteraturstudier 16

3.7.3 Observationer 17

3.7.4 Experiment 17

3.7.5 Kostnadskalkyler och tidsberäkningar 17

4. GENOMFÖRANDE 19

5. RESULTAT OCH ANALYS 21

5.1 Tidsberäkningar baserade på observationer 21 5.2 Nuvarande totalkostnad 22 5.3 Experiment baserat på teoretisk fakta för metallformsprutning 23

påverkas av att band tar i deras händer vid förflyttningar över greppbrädan (A. Thidell, intervju 1, 24 april, 2018). 2.5.5 Återskapning av bandkrona Efter radieslipning måste man få till en rund krona igen på ovan sidan av bandet och då måste man använda sig av sandpapper och andra slipningsverktyg. (A. Thidell, intervju 1, 24 april, 2018). 2.5.6 Polering Efter att alla föregående bearbetningsstegen har gjorts poleras banden för att få till en bra ytjämnhet (A. Thidell, intervju 1, 24 april, 2018).

2.6 Anledning till val av vaxursmältning

blandningen i en öppningsbar form genom en eller flera portar i gjutformen kyls den ned under en tid enligt bilaga 2, så att detaljen blir kompakt och inte går sönder under resten av processen. Trycket som man pressar in materialet i formen med varierar beroende på hur trögflytande materialet är och hur komplex gjutningsformen är, se bilaga 3. Materialflödeshastigheten för gjutning i metall är även vanligtvis högre än vid formsprutning av plastdetaljer på grund av högre värmekonduktivitet än hos polymerer (Heaney 2012, s. 120). 3.1.3 De-binding När detaljen plockas ur formen kallas den för ”green part” och är en grön förstorad variant av slutprodukten eftersom den består av en blandning av organiskt bindemedel och metallpulver, se bilaga 4. Man stoppar då in en eller flera detaljer i en ugn som värmer bort det organiska bindemedlet och tillåter metallatomerna att komma närmare varandra och därav krymper detaljen, detta tar olika lång tid beroende på pulverblandning (European Powder Metallurgy Association, EPMA). Det kan ta mellan några timmar till dagar för denna process att slutföras och beror på detaljens geometri (Beddoes och Bibby 1999, s. 187). Enligt Avner Waks tar detta cirka tolv till tjugofyra timmar beroende på utrustningen de använder, se intervju 2. Under detta moment är temperaturen tillräckligt hög för att plasten skall smälta bort och lägre än metallämnets smältpunkt. Efter detta moment kallas detaljen för ”brown-part” och är då en brun, porös och fortfarande förstorad variant av slutprodukten som skall hanteras med försiktighet då delarna är väldigt känsliga eftersom det saknas starka sammankopplingar mellan atomerna, se bilaga 4 (European Powder Metallurgy Association, EPMA). 3.1.4 Sintring Sista steget är att stoppa in de bruna förminskade detaljerna i en varmare ugn som sintrar ihop metalatomerna med samma princip som vid svetsning, Temperaturen brukar ligga på mellan 1120 °C till 1280 °C för rostfritt stål (Danninger och Gierl-Mayer 2012, s. 163). Likt föregående moment tar det olika lång tid att sintra och beror på pulverblandningen. Processen brukar dock ta mellan tjugofyra till trettiosex timmar och beror på vilken utrustning som används, se intervju 2. Produkten krymper ytterligare under detta steg och når den önskvärda storleken efter att ha fått svalna. Därefter får metallen dess slutgiltiga egenskaper. (European Powder Metallurgy Association, EPMA).

3.2 Parametrar efter metallformsprutning

Bild 7: Mobildetaljer framställda genom metallformsprutning (German och Blaine 2014, s. 3). Verktygskostnaden i USA ligger på trettiotusen dollar för en gjutmodell med fyra platser för mobilkomponenter. Man bör vara vaksam när man bestämmer vilken leverantör man skall ha, eftersom priset kan i vissa fall variera med över tvåhundra procent mellan tillverkare för samma verktyg (Powder Injection Molding International). Generellt ligger verktygspriser mellan tjugotusen dollar till hundratjugofemtusen dollar och kan utföra mellan hundratusen och femhundratusen cyklar minst innan underhåll krävs (Smith Metal Products). I Kina kan man framställa verktyg för ungefär tvåtusen dollar (ZCMIM).

3.5 Material

I de flesta forskningsarbeten har rostfritt stål används som material och har därav spelat en viktig roll i utvecklingen av metallformsprutning. Detta beror på att det är ett ämne som tillämpas inom många områden, se bilaga 9 och 10 (J.M. Torralba 2012, s. 396). Det går dock att gjuta med nästan alla typer av metaller, plaster och keramiker (European Powder Metallurgy Association, EPMA). Stål är däremot det dominerande materialet efter plast (Heaney 2012, s. 7). Vissa tillverkar även endast i stål, se intervju 2. Beroende på vilken typ av rostfritt stål man använder tar det olika lång tid att genomgå alla moment för metallformsprutning, som ”de-binding”- och sintringsprocessen, detsamma gäller även andra material (J.M. Torralba 2012, s. 399).

3.6 Övriga rekommendationer och begränsningar

3.7.3 Observationer Observationer är grundläggande för den empiriska vetenskapen eftersom observationer anses vara erfarenheter som dokumenteras och dra slutsatser av. Metoden är effektiv att använda i kombination med andra datainsamlingsmetoder (Le Duc 2007). 3.7.4 Experiment För att kunna utföra ett experiment måste det finnas någon form av mätbarhet att kunna grunda resultatet på. Det görs oftast när det finns minimalt, ingen information tillgänglig inom ämnet eller av nyfikenhet för att oftast reda ut enklare frågor. Fokus brukar ligga på observerbara effekter (Forskningsstrategier).

3.7.5 Kostnadskalkyler och tidsberäkningar

observationerna men att istället för att utföra fysiska mätningar gjordes det tidsuppskattningar. Tidigare var det tänkt att en prototyp skulle framställas. Det ändrades dock på grund av resursbrister inför rapporten. Fördelen med att framställa en prototyp hade varit att resultaten av experimentet skulle vara mer korrekt eftersom det hade varit verklighetsbaserat och inte endast teoretisk. Det hade däremot blivit dyrt att framställa en prototyp. Även om det exakta priset per band hade varit lågt så hade uppstartskostnaderna varit för höga att finansieras. I undersökningen gjordes tidsberäkningar genom att bedöma tiden det tar för att bearbeta ett band framställt genom vaxursmältning jämtemot ett band som producerats genom metallformsprutning. Tiderna för nuvarande band hämtades genom observationer (Tabell 1), och med ytterligare hjälp av teoretisk fakta kunde tider för metallformsprutna band approximeras. Tiderna användes sedan för att kombineras med lön per sekund och övriga kostnader för att presenteras i kostnadskalkyler för tre olika kvantiteter.

Observationsordning Moment

Vad som används

1

Pressa in band i greppbrädan

Specialtillverkad press, hammare och lim

2 Kapa av bandkanter Avbitartång

3 Radieslipning Slipkloss med önskad radie

4 Kantslipning Metallfil

5

Återskapning av

bandkrona El-verktyg och sandpapper

6 Polering Poleringsmaskin

Tabell 1: Beskrivning av vad som observerades och vilka verktyg som användes.

5. Resultat och analys

Nedan presenteras en analys av inhämtad fakta och ett resultat baserat på det.

5.1 Tidsberäkningar baserade på observationer

5.3 Experiment baserat på teoretisk fakta för metallformsprutning

5.4 Tidsjämförelse

Tidsskillnaden mellan vaxursmältning och metallformsputning bli 460,5 sekunder per band baserat på resultaten ovan (478,3 – 17,8 = 460,5 [Sekunder per band]), se diagram 1 för grafisk tidsjämförelse.

Tidsberäkning

Tillverkningsmetod/Moment Vaxursmältning

Enhet: Sekunder/st

Metallformsprutning

Pressa in band i greppbräda 43,3 4,3

Kapning av bandkanter: 30,3 -

Radieslipning av tjugotvå band: 27,2 -

Kostnadskalkyl

(1 000 000

detaljer)

Tillverkningsmetod/Moment Vaxusmältning

Enhet: kr/st

Metallformsprutning

Inköp: 12,0 3,8

Pressa in band i greppbräda: 3,4 0,3

Kapning av bandkanter: 2,4 -

Radieslipning av tjugotvå band: 2,1 -

hörnen överstiger den minimala radierekommendationen på 0,05 millimeter, enligt diagram 3. Banden kan behålla bottendelens avfasningar.

KRITERIER FÖR FRAMSTÄLLNING

(Metallformsprutning, MIM)

Beskrivning: Betyg: Kommentar:

Längd (max 100 millimeter) Överstiger ej 100 millimeter Tjocklek (max 12,5 millimeter) Överstiger ej 12,5 millimeter Vikt (0,2 - 300 gram) Vikt är cirka 3,5 gram

Hålstorlek (max 0,1 millimeter) Inga hål Väggtjocklek (max 0,1 millimeter) Inga väggar

Dimensionsövergång (smal till tjock) Nej, tjock till smal i kanter Vassa kanter (över 0,05 millimeter radie) Ja, två styck

hörnen rundas ned till över 0,05 millimeter radie för att undvika komplikationer. Detta

Shulong Ye, Wei Mo, Yonghu LV, Xia Le, Chi Tat Kwok och Peng Yu. 2018. Metal Injection Molding of Thin-Walled Titanium Glasses Arms: A Case Study. The Minerals. Metals and Materials Society. Kina. https://link-springer-com.focus.lib.kth.se/content/pdf/10.1007%2Fs11837-018-2788-1.pdf (Hämtad: 22/04-18). Smith Metal Products. Minneapolis. USA.

Bilaga 11

Bilaga 11: Planetväxel med små toleranser framställd genom metallformsprutning i rostfritt stål (Nishiyabu 2012, s. 111).

Bilaga 12

Kostnadskalkyl

(250 000

detaljer)

Tillverkningsmetod/Moment Vaxusmältning

Enhet: kr/st

Metallformsprutning

Inköp: 12,0 8,2

Pressa in band i greppbräda: 3,4 0,3

Kapning av bandkanter: 2,4 -

Radieslipning av tjugotvå band: 2,1 -

Bilaga 13

Bilaga 13: Totalsumman och jämförelse av kostnaden för framställning av 3 000 000 band genom de två olika metoderna.

Bilaga 14 (Intervju 1)

Namn: Thidell, Anders Arbetsposition: Uppfinnare/delägare Företag: True Temperament AB Ort: Stockholm Datum: 24 april 2018 Ägde rum på Katarina Bangata 65, Södermalm, Stockholm Hemsida: www.truetemperament.com -Hur tillverkas gitarrbanden idag? Det görs genom vaxursmältning. -Vad tillverkas de av? Kiselmässing, som är en blandning av kisel, koppar och zink med jämn fördelning. -Hur lång tid tar det för banden att komma fram till er efter att ni lägger en order hos leverantören? Leveranstiden idag är på ungefär 4 veckor. -Vad kostar de per styck?

Kostnadskalkyl

(3 000 000

detaljer)

Tillverkningsmetod/Moment Vaxusmältning

Enhet: kr/st

Metallformsprutning

Inköp: 12,0 1,4

Pressa in band i greppbräda: 3,4 0,3

Kapning av bandkanter: 2,4 -

Radieslipning av tjugotvå band: 2,1 -