Prototyp för att öka kundvänligheten i varubutiker

Lovisa Bjerkén Sara Nguyen

Blekinge Tekniska Högskola Institutionen för Maskinteknik

Karlskrona 2021

Följande arbete är utfört som en obligatorisk del av utbildningen på högskoleingenjör i maskinteknik, Blekinge Tekniska Högskola.

Prototyp för att öka

kundvänligheten i varubutiker

Sammanfattning

Syftet med detta examensarbete var att förbättra kundupplevelsen med avseende på en viss typ av konsument. Dagens matbutiker har hyllplan som är högt placerade och för en del konsumenter är detta ett problem. De konsumenter som upplever höga hyllplan som ett problem är bland annat funktionsnedsatta och personer med en kortare längd än genomsnittet. I många matbutiker är avståndet mellan det högsta hyllplanet och taket stort och då är inte ytan utnyttjad maximalt. Resultatet är tänkt att ge ett förslag på hur dessa två problemen kan lösas.

En strukturerad produktutvecklingsmetod har applicerats genom hela processen av examensarbetet för att ta fram en lösning på hur varubutikerna kan optimeras till att det blir mer lättillgängligt för alla typer av konsumenter.

Planeringen av detta utfördes med hjälp av ett Gantt-schema.

Konceptet som framtogs i rapporten optimerades genom att komplettera med en till komponent. Konceptet har som syfte att kunna förlängas för att kunna ta ner produkter med en max vikt på 0,5 kg från den högsta hyllplanet.

Avgränsningarna för arbetet har tagit hänsyn till de hyllor som finns i gångarna i dem större matbutikerna samt att arbetet har en begränsad tidsram och hur prototypens framtagning kommer att ske.

Nyckelord:

Externsökning, internsökning, FEM-analys, konceptgenerering, konceptsållning, konceptpoängsättning, Inventor, optimering, matbutik.

Abstract

The purpose of this thesis was to improve the customer experience with respect to a particular type of consumer. Today’s grocery stores have shelves that are high and for some consumers this is a problem. Consumers who experience high shelves as a problem include the disabled and those with a shorter length than the average person. In many grocery stores, the distance between the highest shelf and the roof is large and then the space is not used to the maximum. The result is intended to give a suggestion on how these two problems can be solved.

A structured product development method has been carried out throughout the process of the thesis, to develop a solution on how grocery stores can be optimized to make it more accessible for all types of consumers.

The development process was planned with a Gantt schedule.

The concept developed in this report was optimized by supplementing with another component. The concept's purpose was to be able to extend and take down products with a maximum weight of 0,5 kg from the top shelf.

The boundaries of this work have considered the shelves that are in the corridors of a grocery store, that the work has a limited time frame and how the prototype will be produced.

Keywords:

External search, internal search, FEM analysis, concept generation, concept screening, concept scoring, Inventor, optimization, grocery store.

Förord

Examensarbetet är en avslutande del för studierna på programmet högskoleingenjör i maskinteknik vid Blekinge Tekniska högskola. Arbetet omfattar 18 högskolepoäng och utfördes under vårterminen av läsåret 2021.

På grund av Covid-19 så var chansen att utföra examensarbetet i samarbete med något företag begränsat. Därför beslutades det att arbetet inte genomfördes i samarbete med ett företag.

Vi vill tacka vår handledare Markus Wejletorp på Blekinge Tekniska Högskola med den stöttning och vägledning som vi fått under arbetets gång.

Vi vill också tacka Sharlin Shahid för hjälpen inom FEM simuleringar.

Hampus Filipsson som är student på Blekinge Tekniska högskola och studerar industriell ekonomi då han har korrekturläst och gett återkoppling.

De resurser som Blekinge Tekniska Högskola har erbjudit för att skapa bättre inlärningsmöjligheter vill vi tacka skolan för. Vi vill även tacka de kunniga lärare som givit oss den kunskap som vi idag besitter på.

Lovisa Bjerkén & Sara Nguyen

Innehållsförteckning

Sammanfattning ... 3

Abstract ... 5

Förord ... 6

1 Inledning ... 10

1.1 Dagens matbutiker ... 10

1.2 Konsumenter ... 11

1.3 Bakgrund ... 12

1.3.1 Nulägesanalys ... 12

1.3.2 Hyllplan: konstruktion av nätsektioner ... 14

1.3.3 Ryggrad och konsoler ... 15

1.4 Syfte ... 16

1.5 Problemformulering ... 16

1.6 Planering ... 16

1.7 Avgränsningar ... 17

2 Teori ... 17

2.1 Produktutveckling ... 17

2.1.1 Planering: fas 0 ... 18

2.1.2 Konceptutveckling: fas 1 ... 18

2.1.3 Utveckling på systemnivå: fas 2 ... 22

2.1.4 Detaljutveckling: fas 3 ... 23

2.2 Omgivning ... 23

2.3 CAD: Autodesk Inventor ... 23

2.4 FEM: Autodesk Inventor Nastran ... 24

2.5 Hållfasthetsberäkningar ... 24

2.5.1 Materialval ... 25

2.5.2 Effektivspänningar ... 27

3 Metod ... 28

3.1 Planering: fas 0 ... 28

3.2 Konceptutveckling: fas 1 ... 28

3.2.1 Identifiering av kundbehov ... 29

3.2.2 Konceptgenerering ... 30

3.3 Brainstorming ... 30

3.3.1 Lösningar till varje delproblem ... 31

3.3.2 Potentiella lösningar till delproblemet höga hyllor ... 31

3.4 Koncept ... 32

3.4.1 Icke mekaniska hyllor ... 32

3.4.2 Mekaniska hyllor ... 36

3.4.3 Liknande som griptång ... 39

3.5 Koncept-sållning och poängsättning ... 40

3.6 Val av koncept ... 41

3.6.1 Detaljerad analys på de valda koncepten ... 41

3.7 Konceptpoängsättning för de två valda koncepten ... 50

3.8 CAD-modell och Assembly för koncept 8 ... 51

3.9 Beräkningar och verktyg ... 51

3.9.1 Analytiska beräkningar för koncept 8 ... 51

3.9.2 Komponenten, inre cylindriska axeln med den dimensionerade spänningen ... 52

3.9.3 Materialval för komponenten,inre cylindriska axeln ... 52

3.10 Beräkning för att verifiera böjspänning ... 53

3.10.1 Friläggning på element samt beräkning av spänningar ... 53

3.10.2 Verktyg ... 55

3.11 Vidareutveckling för koncept 8 ... 56

3.11.1 Analytiska beräkningar för vidareutveckling, koncept 8 ... 57

3.11.2 Beräkning för val av material för detaljen ... 58

3.12 Slutliga konceptet ... 61

3.13 Prislista på slutliga konceptet ... 61

4 Resultat... 61

4.1 Konceptutveckling – identifiering av kundbehov ... 62

4.2 Koncept-sållning och poängsättning ... 63

4.3 Konceptpoängsättning för de två valda koncepten ... 67

4.4 Assembly för koncept 8 ... 67

4.4.1 Innersta läget ... 67

4.4.2 Yttersta läget ... 68

4.5 Krav för koncept 8 ... 68

4.6 Koncept 8 – dimensioner och materialval ... 69

4.7 Verifiering av spänningar ... 70

4.8 Finita Element Metoden (FEM) ... 70

4.9 Detaljen – avlastningshandtaget ... 73

4.10 Analytiska beräkningar för materialval ... 74

4.11 Slutliga konceptet ... 74

5.1 Produktutveckling ... 76

5.2 Konceptutveckling – identifiering av kundbehov ... 77

5.3 Koncept-sållning och poängsättning ... 77

5.4 Konceptpoängsättning för de två valda koncepten ... 78

5.5 Krav för koncept 8 ... 78

5.6 Analytiska beräkningar för koncept 8 ... 79

5.7 Verifiering av spänningar ... 80

5.8 Finita Element Metoden ... 80

5.9 Analytiska beräkningar för vidareutveckling: koncept 8 ... 81

5.10 Slutliga konceptet ... 81

5.10.1 Uppfyller det slutliga konceptet syftet för problemformuleringen ... 82

5.11 Prislista på slutliga konceptet ... 82

5.12 Summering ... 82

6 Slutsats ... 83

7 Referenser ... 84

1 Inledning

I detta kapitel kommer arbetets bakgrund, syfte, problemformulering, planering och avgränsningar presenteras.

1.1 Dagens matbutiker

Bakgrunden till arbetet kommer ifrån att en del konsumenter inte alltid når upp till översta hyllplanet på hyllan i matbutiker. Konsumenter som inte når upp till översta hyllplanet är redan ett problem även om inte hyllsystemet är byggt högt upp nära tak. De typer av konsumenter kan vara personer med funktionsnedsättning som till exempel sitter i rullstol eller konsumenter som inte har den rätta längden till att nå det översta hyllplanet. Dessa konsumenter är en stor målgrupp för matbutiken vilket kan leda till intäktsförluster. I dagens matbutiker där hyllorna vanligtvis inte är ända upp till taket innebär det att ytor går förlorat. Att då ha högre hyllor är att föredra då lokalen för matbutikerna inte behöver vara lika stora. Detta bidrar att hyran för lokalerna kan bli lägre för att de kräver en mindre yta. I de befintliga matbutikslokalerna kan lokalen delas in i delar då en del för mat och den resterande ytan som inte nyttjas kan användas till något annat [1].

En bild togs (se figur 1) från ICA stormarknad i Karlskrona. Den röda väggen visar avståndet mellan hyllans slut och taket. (i detta fall så kan inte hyllan vara ända till taket på grund av skyddsbalkar). Hyllornas höjd är på ca 1,8 meter hög.

Figur 1: ICA maxistormarknads hyllor

1.2 Konsumenter

I Sverige är det mellan 10 och över 30% av befolkningen som är funktionsnedsatta med varierande grad. Procentskillnaden beror på hur frågan är formulerad samt hur funktionsnedsättning definieras. Kategorierna gällande definitionen av funktionsnedsättning kan vara de som har svårigheter att minnas, en långvarig sjukdom, syn-, hörsel- och rörelseförmåga. Dessa konsumenter ingår i kategorin som har svårigheter vid mathandel i matbutiker. Problem som kan uppstå för dem som ingår i kategorin

“svårigheter vid mathandel i matbutiker” är trappsteg, höga hyllor, höga kyldiskar, djupa frysdiskar samt problem med att lägga varor på kassabandet och hela processen vid kassan gällande betalning och packning. Dessa problem är riktat mot varierande konsumenter, från funktionsnedsatta till konsumenter med en kortare längd. Statistik från 2016–2017 redovisar att genomsnittslängden för kvinnor är 166 cm och för män 180 cm. Kvinnor med denna längd kan ha problem med att nå upp till översta hyllan. Det kan vara svårt att nå samt se en produkt på det översta hyllplanet om varan inte är frontad [1], [2], [3].

1.3 Bakgrund

1.3.1 Nulägesanalys

Enligt Cole [4] består dem flesta hyllsystem idag av skenor och ryggrad som gör så att hyllplanen kan justeras. Ryggraden stöder hyllplanen på två sidor och med hjälp av ryggraden kan hyllplanen justeras vertikalt. Hyllplan i varubutiker är oftast anpassade utefter varorna i butiken. De upprättstående stöden, ryggraden, som befinner sig på den allmänna konstruktionen av hyllsystemet har ett avstånd mellan varandra på 900 mm. Detta i sin tur leder till att hyllplanet får en bredd på 900 mm och enligt Cole [4] är oftast därmed måtten på hyllplanets djup på 550 mm. Ett exempel på detta kan ses i (figur 2 och 3). Majoriteten av hyllplanen har en separering på 420 mm vertikalt men med ett undantag där det kan hittas pappersvaror som toalettpapper och andra liknande varor i samma storlek (se figur 3) för hur separering på hyllplan kan se ut. Hyllplanen är oftast tillverkade av nickel eller förkromat nät av runda stålstänger som är separerade 20 mm i bredd och 90 mm i djupriktningen.

Tanken med nätsektioner är att okänt material ska kunna falla igenom det ihåliga nätet för att bespara på tid. Det materialet som faller ner till golvet kommer att vara den enda ytan som kommer behövas rengöras. Hyllplan i varubutiker varierar med nätsektion och platt metall, oftast används en liten andel plattmetall som hyllplan men det brukar variera. I vissa varubutiker så brukar hyllplanen ha en uppsättning med en lutning för att skapa en synlighet för produkter. Detta görs för att eliminera högt staplade produkter på hyllplanen samt att det ökar köpviljan hos konsumenterna. Det enda negativa med lutande hyllplan är att produkterna kan ramla ner på golvet eller på kunderna [4].

Figur 2: Hyllplanets djup

Figur 3: Hyllplanets bredd och separering

1.3.2 Hyllplan: konstruktion av nätsektioner

Konstruktionen på nätsektioner i hyllplan är kraftiga runda stålstänger som oftast är tillverkade av nickel eller krom. Stålstängerna är svetsade på varandra för att skapa fyrkantiga hål med ett syfte på att eliminera koncentrationer på okänt material samt minimera på användning av material.

Exempel på hyllplan presenteras i (figur 4 och 5) nedan.

Figur 4: Hyllor på Willys med nätsektion. Vy framifrån

1.3.3 Ryggrad och konsoler

Ryggraden är en komponent som är en del av hyllan. Komponentens funktion fungerar som en bärförmåga samt att konsolerna ska kunna justeras på ryggraden. Ryggradens konstruktion är tunnväggiga öppna profiler av långa balkar. De öppna profilerna är hålindelningar på den tunnväggiga balken i vertikalled och där avståndet på måtten brukar variera. Syftet med perforering är att placera in konsoler och att man ska kunna justera de utefter önskan.

Infästningen mellan den bärande balken, skenan, och konsolen kan ta upp radiella och axiella krafter [5].

Figur 6: Ryggrad och konsoler

1.4 Syfte

Syftet med examensarbetet var att skapa en bättre miljö och förbättra kundupplevelsen med avseende på en viss typ av konsument som handlar i matbutik. Resultatet som tas fram ska ge ett förslag på hur detta problem kan lösas. Målet med arbetet var att ta fram ett förslag där matbutiker nyttjar lokalytan mer effektivt i förhållande till att minska missnöjda kunder.

1.5 Problemformulering

Dagligvaruhandel är en vardaglig rutin för de flesta och för varubutiker är konsumenterna en avgörande roll i hur ekonomin ser ut. Konsumenterna har ett förtroende för butiken att kunna sköta livsmedelsförsörjningen och det prioriteras högt. Alla typer av konsumenter ger olika mängd av bidrag, en typ av kund är pensionärer och funktionshindrade. Dessa två typer är en stor målgrupp och att inte inkludera alla typer av konsumenter kan detta leda till intäktsförluster. Därför kan det vara väsentligt att varubutiker är anpassade efter alla typer av konsumenter.

x Hur kan varubutiker optimeras så att det blir mer lättillgängligt för alla typer av konsumenter i förhållande till att matbutiker nyttjar lokalytan mer effektivt?

1.6 Planering

Ett Gantt-schema (se bilaga) skapades och låg till grund för planeringen av examensarbetet. Gantt-schemat följer den produktutvecklingsmetod som har använts i detta arbete. Schemats syfte var att skapa en gemensam planering och ett mål.

1.7 Avgränsningar

Avgränsningar som görs i detta arbete kommer att ha hänsyn till följande:

hyllor som finns i gångar i en matbutik, begränsad tidsram och hur prototypens framtagning kommer att ske.

En uppgradering av varubutiken görs för att skapa en mer kundvänlig miljö i matbutiker. Målet med arbetet är att frambringa en prototyp som inte kommer att vara kostsamt för matbutiken. Beräkningarna som alstrades i detta arbete kommer att ha som syfte att hitta material med lågt pris.

Detaljer/komponenter för prototypen har även avgränsats utefter hur krävande dem är och hur mycket omsorg som kommer behövas.

Det finns ett flertal problem för en del konsumenter i samband med besöket i en matbutik. Dagens hyllor i matbutiker är inte kundvänliga för alla typer av konsumenter vilket är ett problem. Avgränsningarna som görs i detta kandidatarbete kommer att baseras på att arbetet endast är på 18 högskolepoäng. Den framtagna lösningen kommer inte att alstras i fysisk form utan med hjälp av en 3D-modell i mjukvaruprogrammet Inventor. Den bakomliggande elektroniken på hur den framtagna lösningen fungerar kommer även inte att redovisas ingående i detta arbete.

2 Teori

I teoriavsnittet kommer produktutvecklingsprocessen, omgivning, CAD:

Autodesk Inventor, FEM: Autodesk Inventor Nastran och hållfasthetsberäkningar att presenteras.

2.1 Produktutveckling

Den generiska produktutvecklingsprocessen enligt Karl. T Ulrich och Steven D. Eppinger [6] ligger till grund för arbetet. Produktutveckling sker i flera delmoment/aktiviteter med start att identifiera marknadens möjligheter och avslutar med att tillverka, marknadsföra och sen leverera produkten till kunden. Det finns olika typer av produkter där produktutvecklingsprocessen varierar beroende på produkt. Genom att använda en redan väl beprövad produktutvecklingsprocess så kan kvaliteten på projektet öka. Därmed finns

det tillgång till mallar och metoder som redan finns. De olika faserna i den generiska produktutvecklingsprocessen innehåller 6 olika faser:

x Planering: fas 0

x Konceptutveckling: fas 1

x Utveckling på systemnivå: fas 2

x Detaljutveckling: fas 3

x Testning och vidareutveckling: fas 4

x Produktionsupptakt: fas 5

Det finns olika huvudstrategier för produktutvecklingsprocessen och en av dem är stage-gateprocess och denna är mer lämpad för enklare projekt. Varje produktutvecklingsfas (stage) följs av en kontroll (gate) som verifierar att fasen är avslutad eller ej men även hur projektet ska fortsätta. Dessa kontroller är till grund för ett beslutsfattande om produktutvecklingsprojektet ska fortsätta eller läggas ned. När en fas är avslutad kan projektgruppen gå vidare till nästa fas. De faserna som används i detta arbete är planering: fas 0, konceptutveckling: fas 1, Utveckling på systemnivå: fas 2 och Detaljutveckling: fas 3 som kommer att redogörs nedan.

2.1.1 Planering: fas 0

Planeringsfasen är i början av projektet med planeringsaktiviteter där det ingår att identifiera möjligheter, utvärdera och prioritera projekt, allokera resurser och fastställa tidsplan, slutföra förstudieplanering och att reflektera över resultaten och processen.

2.1.2 Konceptutveckling: fas 1

Denna fas har tre huvudrubriker som är identifiering av kundbehov, konceptgenerering och konceptval. Dem tre huvudrubrikerna består av ytterligare delmoment som kommer att presenteras nedan.

2.1.2.1 Identifiering av kundbehov

produktutvecklingsprocessen. Detta görs för att kunna vägleda till att bestämma produktspecifikationer, generera produktkoncept samt välja ett produktkoncept för att kunna vidareutveckla. Processen består av 5 olika steg:

samla rådata från kunder, tolkar rådata i form av kundbehov, organiserar behoven hierarkisk i primära, sekundära och tertiära behov, fastställer behovens relativa betydelse och reflekterar över resultaten och processen.

Dessa delaktiviteter kommer att beskriva mer tydligt hur de kan utföra.

Samla in rådata från kunder kan göras genom intervjuer och diskutera behov med en kund. Dessa intervjuer brukar vanligtvis vara i 1–2 timmar. Ett annat sätt är att en person som jobbar med marknadsundersökningar eller en person i teamet håller diskussioner med så kallade fokusgrupper där en grupp om 8–

12 personer ingår. Miljön i lokalen ska bidra till att medlemmarna ur teamet kan observera gruppen. Ett tredje sätt är att observera produkten i användning.

Behov kan identifieras effektivt genom att ha intervjuer med spetsanvändare och/ eller extrema användare. Dessa personer kan ofta uttrycka framtida behov eftersom de redan identifierat bristfälliga produkter och att de har kommit på en lösning själv. Målet med intervjuer om behov är att teamet vill få fram ett ärligt svar och inte övertyga kunden om vad den behöver. Några frågor som kan ställas till en kund är frågor som innehåller: när, varför, vad och hur. Till Exempel ”När- varför och hur använder du produkten?” och

”vad gillar/ogillar du med produkten?”. Det slutgiltiga resultatet är rådata, vanligtvis i form av kundutlåtanden, dessa är ofta kompletterade med videoinspelningar mm.

Rådata ska tolkas om till kundbehov och dessa behov kan lätt tolkas på olika sätt. Det finns olika riktlinjer på hur en korrekt behovsformulering utförs, här nämns fem. Dessa riktlinjer är att det anges vad produkten ska göra men det anges inte hur. Teamet får inte reda på hur behoven ska uppfyllas, men anger vad teamet ska försöka uppnå för att tillfredsställa kundbehoven. Att uttrycka behovet lika specifikt som rådata för att inte gå miste om information.

Använda positiva formuleringar, uttrycka behovet som en egenskap hos produkten och att undvika ”måste” och ”ska” är andra riktlinjer. Samt att uttrycka behovet som en egenskap hos produkten.

Gruppera behoven för att få en större överblick samt att eliminera formuleringar som liknar varandra. Till exempel en rubrik kan vara att en viss produkt håller länge. Då ska alla behov som har något med livslängden/hållfastheten kategoriseras under den rubriken.

Medvetenhet om behovens relativa betydelse är viktig för att trade-offs ska göras korrekt. När avvägningen sker så tas det hänsyn till en betydelsefaktor.

Detta görs genom kundundersökningar eller att produktutvecklings teamet utfört utvärderingen. En skala på 1–5 kan visa hur viktig en viss egenskap är (betydelsefaktor). Exempel på en sådan skala kan ses nedan:

1. Egenskapen är oönskad. Jag skulle inte överväga en produkt med denna egenskap.

2. Egenskapen är inte viktig, men jag skulle inte ha något emot att ha den.

3. Egenskapen skulle vara bra att ha, men den är inte nödvändig.

4. Egenskapen är högst önskvärd men jag skulle överväga en produkt utan den.

5. Egenskapen är viktig. Jag skulle inte överväga en produkt utan denna egenskap.

Om produkten får 1 då är det inte en egenskap som utvecklingsteamet bör implementera på produkten.

Det sista steget i identifiering av kundbehov är att reflektera över resultatet och processen. Teamet uppmanas att verifiera att resultatet överensstämmer med den kunskap som teamet har utvecklat genom att ha integrerat med kunderna. För att kunna reflektera över resultaten och processen finns det en del frågor som teamet kan fråga sig själva.

x Har vi integrerat med alla de viktigaste kunderna i målgruppen?

x Kan vi se bortom behov som rör befintliga produkter för att fånga de latenta behoven?

x Hur kan vi förbättra i framtiden?

2.1.2.2 Konceptgenerering

I det första steget som är utveckla problemet försöker teamet skapa en övergripande bild samt en förståelse av ett problem. När en identifiering av ett

konstruktion inte alltid behöver vara så avancerad. Men prototyper som är mer avancerade så kan det underlätta konceptgenereringen att skapa delproblem för problemen.

Söka externt går ut på att hitta befintliga lösningar till övergripande problem och delproblemen i steg 1. Extern sökning sker inte bara som metod steg 2 utan extern sökning sker genom hela utvecklingsprocessen. Att använda sig av befintliga lösningar är oftast mer tidseffektivt och billigare. Detta bidrar till att energin kan riktas på de delproblem som sedan tidigare inte har någon tillfredsställande lösning. Intervjuer med spetsanvändare, fråga experter, patentsökning, litteraturundersökning och benchmarking är olika sätt att samla extern information.

I steg 3 så utnyttjas personlig kunskap och kreativitet inom ett team för att frambringa nya konceptlösningar, detta motsvarar en intern sökning. Denna sökning brukar kallas för brainstorming. Idéerna som genereras är anpassade till problemformuleringen som ska lösas och denna process kan genomföras i grupp eller individuellt. Grundprincipen för intern sökning inom gruppen samt individuellt är att det genereras fler idéer, där idéer som verkar omöjliga välkomnas och som sedan kan justeras av de andra i teamet. Grafisk och fysisk media används för att skapa en bättre kontext för de andra i gruppen.

Beslut kan även skjutas fram som ska göras för att eliminera åsikter.

Syftet med detta steg, systematisk utforskning, är att organisera de olika lösningar till delproblemen som skapats från externa- och interna sökningar för att kunna vägledas bland alla möjliga lösningar. Varje delproblem har lösningar, detta gör att det kan bli många kombinationer att se över. Det finns två verktyg för att kunna organisera dessa lösningar för att göra denna process

så tidseffektiv som möjligt:

x Konceptklassifikationsträd

Alla möjliga lösningar delas upp i olika kategorier för att stödja jämförelser och sållning. De mindre lovande grenarna sållas ut.

x Konceptkombinationstabell

Möjliga lösningar placeras i en tabell under olika rubriker där en lösning från varje rubrik väljs ut.

Till sist sker en reflektion över lösningarna och processen. Möjligheter identifieras till förbättring för nästa steg eller för liknande projekt i framtiden.

2.1.2.3 Konceptval

En strukturerad process är bättre eftersom det hjälper med att vara objektiv.

Det hjälper även till att få ett konceptval som är valt utefter kundorienterade kriterier. Konceptet är fokuserat på kundens preferenser och inte utvecklarnas.

Det ökar konkurrenskraften då koncept jämförs med befintliga produkter och väljs bara om det är bättre. Produkten utvärderas även i förhållande till tillverkningskriterier för att den ska bli enklare att tillverka och anpassas efter företagets kapacitet. En strukturerad process förbättrar även kommunikationen inom företaget då den ger ett gemensamt språk som alla förstår. Beslutsprocessen blir sedan effektivare och objektiv då konceptvalen blir enklare att jämföra.

En metod för att välja mellan koncept är konceptsållning och konceptpoängsättning eller som på engelska concept screening och concept scoring. Konceptsållning är att initiala produktkoncept utvärderas i förhållande till en gemensam referens med hjälp av en sållningsmatris.

Konceptpoängsättning sker senare i tiden och några koncept har då redan eliminerats. Detta gör att konceptpoängsättning är en mer detaljerad analys som görs med hjälp av en poängsättningsmatris. Sållningen görs först för att ta bort de minst lovande koncepten och är inte så detaljerad eftersom det vid detta stadie finns väldigt många koncept. Poängsättningen är sedan mer detaljerad på de mest lovande koncepten. Eftersom det inte finns lika många koncept kvar är det möjligt att göra detaljerade analyser på alla koncept.

2.1.3 Utveckling på systemnivå: fas 2

Utveckling på systemnivå är den andra fasen där upprättande av produktarkitektur, uppdelning av produkten i delsystem och komponenter och till sist en preliminär konstruktion av de viktigaste komponenterna. En produktarkitektur beskrivs av funktionella- och fysiska element. Funktionella element är det som bidrar till produktens övergripande kapacitet. Till exempel för en skrivare är det att förvara papper. Fysiska element är det som utför produktens funktioner. Outputen från upprättande av produktarkitektur är en uppskattad geometrisk layout (utkast i konstruktionssammanhang) av

2.1.4 Detaljutveckling: fas 3

I detaljutvecklingsfasen fastställs produktens eller detaljens geometri och material. Alla ritningar på de komponenter som ingår i produkten är en typ av kontroll dokumentation som är outputen för fas tre. Viktiga frågor att ta hänsyn till under hela produktutvecklingsprocessen, men som slutförs i denna fas, är materialval, produktionskostnader och robusta egenskaper. Utförande för produktionskostnader i detta arbete kommer att genomföras genom en extern sökning på komponenternas inköpspris, då prototypen inte kommer att framtas i fysisk form.

2.2 Omgivning

Genom att utgå ifrån produktutvecklingsmetodiken som Steven D. Eppingers och Karls T. Ulrich [6.] redogör frambringas det ett mer komplext koncept.

Det är även viktigt att ta hänsyn till vad för typ av olika miljöer konceptet kommer att utsättas för. I detta arbete kommer de framtagna koncepten att endast befinna sig i miljöer där de utsätts för varierande laster och med en konstant rumstemperatur på 20℃. Det kommer inte vara väsentligt att beräkna utvidgningskoefficient som anger längdändringen på materialet vid en temperaturändring. Dock kommer hållfasthetsberäkningar behövas göra för val av material till det framtagna konceptet på grund av inverkan av varierande laster.

2.3 CAD: Autodesk Inventor

CAD, computer Aided Design, används för att skapa 3D-modeller.

Mjukvaruprogrammet Autodesk Inventor är för att skapa 3D-modellerna för komponenter eller en hel konstruktion. Detta görs för att förtydliggöra samt öka visionen. Genom att nyttja Autodesk Inventor kan det både sparas tid, pengar samt vara miljövänligare då fysiska produkter inte frambringas som sedan slängs eller återvinns.

2.4 FEM: Autodesk Inventor Nastran

I nuläget finns det många varianter av FEM (Finita Element Metoden) - beräkningar integrerat med CAD-system för att kontrollera hållfastheten. I FEM simuleras verkligheten genom att imitera de västliga aspekterna av exempelvis en detalj. FEM fungerar som ett beräkningsverktyg och tillämpas vid kontroll/jämförelse när en analytisk handberäkning har gjorts. Vid jämförelse för hållfasthet för exempelvis en detalj så delas detaljen upp i olika små element i hållfasthetprogrammet FEM. Elementen går att variera med storlek och geometri, funktionen i FEM heter Mesh. I programmet tilläggs det även randvillkor samt yttre krafter och detta görs för att imitera de verkliga fysikaliska fenomenen som uppstår på detaljen. Randvillkor är villkor där detaljen låser fast i olika riktningar för att eliminera moment eller reaktionskrafter. Det kan vara en utmaning att efterlikna dessa villkor med verkligheten. Genom detta kan komplicerade geometriska konstruktioner och geometrier beräkna hållfastheten. Grunden till FEM är att partiella differentialekvationer löses med en ungefärlig noggrannhet.

2.5 Hållfasthetsberäkningar

Mekanik är ett antagande för att kunna lösa hållfasthetsproblem. När en konstruktion eller komponent blir utsatt för en yttre kraft och moment uppstår det inre spänningar. Spänningar som uppkommer bestäms genom att göra friläggningar och jämviktsekvationer. Dessa kunskaper kommer från tidigare kunskaper inom mekanik i fysikgrundkurs. Genom att hitta fysikaliska fenomen som uppstår på en konstruktion eller en komponent kan hållfasthetsberäkningar göras. Spänningar som uppkommer i en konstruktion eller en komponent kan exempelvis vara böjspänningar. Vid böjning uppstår det normala böjspänningar och dess spänningarnas storlek beror helt på tvärsnittet för den belastade komponenten. Böjspänning är en av de essentiella ekvationerna (ekvation 1), då konstruktionen kan utsättas för böj moment ܯ_௠௔௫ vid bärande kraft för ett visst avstånd a (ekvation 2). Beroende på hur konstruktionens tvärsnittsprofil ser ut ger det varierande ekvationer för böjmotstånd. Exempel på böjmotståndsekvation (3) och (4) som är tagen från formelsamlingen [7] och som betecknas W.

ɐ ൌ േ^୑ౣ౗౮

୛  (1)

_୫ୟ୶ ൌ ή ƒ (2)

 ൌ ^{஠൫ୈరିୢర൯}

ଷଶୈ  (3)

_୶ ൌ ^ୠ୦మ

଺ (4)

ൌ ‰ (5)

2.5.1 Materialval

När böjspänningar uppstår på en konstruktion eller en detalj kan detta leda till att formen ändras. Detta kallas för plastisk deformation som har skett på en konstruktion eller en detalj. Det är väldigt viktigt att välja rätt material för exempelvis en detalj. Detta görs för att undvika plastisk deformation eller andra deformationer när yttre krafter påverkar. Ibland finns det även spänningar i flera riktningar och då är det svårt att jämföra med materialets tillåtande spänning, sträckgränsen. De tillåtna spänningarna för varierande material kan hittas i formelsamlingen [7]. Därför används en jämförelse/effektiv spänning som motsvarar alla de spänningar som ligger på materialet/detaljen. Vanligtvis dimensioneras en konstruktion efter materialets tillåtna sträckgräns. Vid plant (tvåaxligt)- och fleraxligt spänningstillstånd kan det vara svårt att jämföra spänningarna då dessa uppstår i fler riktningar (se figur 7).

Figur 7: spänningar i olika riktningar

I dessa fall så jämförs spänningarna genom att ta fram huvudspänningarna,ߪ_{ଵǡଶǡଷ}. Dessa huvudspänningar kan tas fram genom att skapa en mohrs cirkel. Mohrs cirkel är ett verktyg som används vid beräkningar på ett tillstånd av plant spänningstillstånd. Ekvationerna för Mohrs cirkel erhålls från härledningar av ekvationerna för en cirkel. Där R är radien i Mohrs cirkel (6), ߪ_௖ är den genomsnittliga spänningen (7) och,ߪ_{ଵǡଶǡଷ} som är huvudspänningar (8).

ܴ ൌ ටቀ^{ఙೣିఙ೤}

ଶ ቁ^ଶ ൅ ߬_௫௬^ଶ  (6)

ߪ_௖ ൌ ^{ఙೣାఙ೤}

ଶ  (7)

ߪ_{ଵǡଶǡଷ} ൌ ߪ_௖ േ ܴ (8)

Om huvudspänningarna från ekvation (8) sätts in i formel (9) och (10) så kan värden för effektivspänningen beräknas. Denna spänning är en effektivspänning/jämförelsespänning som sedan jämförs med sträckgränsen, ReL. Om huvudspänningarna är under sträckgränsen menas det att det kan ske elastiska deformationer i exempelvis på en detalj. Elastisk deformation innebär att formen för en detalj återgår till sin ursprungliga efter att en yttre kraft har inverkat på detaljen [8], [9].



2.5.2 Effektivspänningar

I (figur 8) nedan har de två normalspänningarna, ߪ_ଵǡଶǡ, ritats upp vinkelrät med varandra. Om den ena huvudspänningen ߪ_ଶ ൌ Ͳ så innebär det att det finns en enaxlig dragning i riktning ߪ_ଵ och då måste ߪ_ଶ ൏ ߪ_ௌ (sträckgräns, ReL.) och på liknande sätt om ߪ_ଵ ൌ Ͳ. Grafen nedan har nu två kända punkter och vilka koordinater som är tillåtna anges av två olika flytgränskurvor. I nuläget används det två flytgränskurvor som två män formulerade. Dessa kurvor är Trescas (skjuvspänningshypoten) (se ekvation 9) och von Mises (deviationsarbetshypotensen) (se ekvation 10) och dessa kallas för effektivspänningar. Inom området för flytgränsenkurvan sker det inte en plastisk deformation. Trescas kurvan är rektangulär/kvadratisk och von Mises kurvan är mer cirkulär. von Mises ligger utanför Trescas och den tillåter mer spänning än Trescas [8], [9].

Figur 8: Huvudspänningar ߪ1,2, ߪs, sträckgräns och flytgränskurvorna Enligt Trescas ekvation

ߪ_௘^் ൌ ሾȁߪ_ଵିߪ_ଶȁǡ ȁߪ_ଶିߪ_ଷȁǡ ȁߪ_ଷିߪ_ଵȁሿ(9)

Det beloppet som blir högst av de tre beloppen ovan blir jämförelsespänningen.

Enligt von Mises ekvation

ߪ_௘^௩ெ ൌ ሾ^ଵ

ଶሺߪ_ଵെ ߪ_ଶሻ^ଶ ൅ ሺߪ_ଶ െ ߪ_ଷሻ^ଶ ൅ ሺߪ_ଷ െ ߪ_ଵሻ^ଶሿ^భమ (10)

3 Metod

I metodkapitlet kommer planering: fas 0, konceptutveckling: fas 1, och brainstorming, koncept, koncept-sållning och poängsättning, val av koncept, konceptpoängsättning för de två valda koncepten, CAD-modell och assembly för koncept 8, beräkningar och verktyg, vidareutveckling för koncept 8, slutliga konceptet och prislista på det slutliga konceptet att presenteras.

3.1 Planering: fas 0

I starten på projektet framtogs problemformuleringar med hjälp av att identifiera varierande möjligheter till exempel kunder, marknadsstorlek, projekttid och projektresurser. Arbetet som genomfördes för att alstra lösningar till problemformuleringarna utförs med hjälp av att tillämpa produktutvecklingsmetodiken som Steven D. Eppingers och Karls T. Ulrich redogör [6]. De olika momenten för detta arbete planerades utefter den tid som var till förfogande under vårterminen 2021. Ett Gantt schema skapades för att tydliggöra projektets arbetsgång, se bilaga. Stage gate användes som huvudstrategi i detta arbete och efter varje avslutad fas gick teamet vidare till nästa.

3.2 Konceptutveckling: fas 1

Under denna fas har problemformuleringar tagits fram genom en identifiering av kundbehov. En konceptgenerering utfördes med hjälp av internsökningen, brainstorming. Med hjälp av att tillämpa varierande metoder av brainstorming och externa sökningar, har lösningar alstrat för den problemformulering teamet valde att prioritera. För de koncept som valdes genomfördes det en

3.2.1 Identifiering av kundbehov

Det finns olika sätt att samla in rådata från kunder som nämns i teorin. I detta steg har fokusen enbart varit på att intervjua närstående via telefon med förberedda frågor. De frågor som ställdes inspirerades utav Steven D.

Eppingers och Karls T. Ulrich [6] för delmomentet identifiering av kundbehov som beskrivs i teorin. Syftet med detta steg var att identifiera problem/behov, där efterfrågan var anpassad efter kundbehovet, som kan till exempel uppstå i vardagen. För att få fram behov valdes en kvalitativ insamlingsmetod av data, enskild intervju, som metod på grund av ett lågt antal deltagande. Intervjuerna varade i ca 5–15 minuter per person. Vardera personen som intervjuades fick prata om problem som kunde uppstå i vardagen och de intressanta behoven antecknades ner (se tabell 1 i resultat).

Kundutlåtanden tolkades om till kundbehov för att förtydliggöra behovet.

Detta gjordes för att kunna identifiera vad problemet är eller vart problemet kan uppstå. Det är lämpligast att vara fler när en tolkningsprocess ska utföras enligt Steven D. Eppingers och Karls T. Ulrich [6] då behoven kan tolkas olika. Kundbehoven som tolkades diskuterades stegvis. Avsikten med detta var att skapa den främsta möjliga tolkningen samt att inte gå miste om information.

Behoven som togs fram alstrade varierande problem i vardagen och de som var liknande/samma slogs samman. Behoven grupperades i olika kategorier:

inomhus, utomhus och elektronik/tillbehör för att få en större överblick för de behov som var lämpligast att prioritera (se tabell 2 i resultat).

Ett av de behov som togs fram från identifieringen av kundbehov var ett behov av mer lättillgänglighet för kunder i förhållande till dagligvaruhandel i matbutiker. Det behovet som prioriterades gjorde teamet ett beslut gemensamt och utgick från en skala 1–5 som presenteras nedan. Skalan, för att fastställa behovens relativa betydelse är anpassad till arbetet som genomförs och inte för en produkt som beskrivs i teorin.

1. Behovet/problemet är oönskad och övervägs ej.

2. Behovet/problemet är inte viktigt, men jag skulle inte ha något emot att utveckla/förbättra det.

3. Behovet/problemet skulle vara bra att utveckla/förbättra, men den är inte nödvändigt.

4. En lösning till behovet/problemet är högst önskvärt.

5. En lösning till behovet/problemet är viktigt.

Det gjordes externa sökningar för det valda behovet, lättillgänglighet för kunder i förhållande till dagligvaruhandel i matbutiker. Målet med detta var att skapa en bättre miljö för alla typer av kunder som handlar i matbutiker.

Under externa sökningar upptäcktes det delproblem för behovet. Dessa delproblem var höga hyllor, höga kyldiskar, trappor, bandet vid kassan och djupa frysdiskar [1]. Detta innebar att det var nödvändigt att utföra externa sökningar för att kunna hitta de dolda problemen som kan uppstå vid dagligvaruhandeln i matbutibutiker. Det kan finnas fler dolda behov samt problem för en specifik målgrupp som inte är identifierad än.

3.2.2 Konceptgenerering

Delproblemen klargjordes i detta steg. Varje medlem i teamet utvecklade en allmän förståelse för delproblem som kan uppstå vid dagligvaruhandel. Syftet med detta var att alstra en gemensam tolkning inom teamet för varje delproblem som framtogs i identifieringen av kundbehov. Detta gjordes innan en konceptgenerering påbörjades. En extern sökning gjordes för att eventuellt kunna hitta befintliga lösningar till de övergripande delproblemen: höga hyllor, höga kyldiskar, trappor, bandet vid kassan och djupa frysdiskar. Samt för att bekräfta att teamet har valt rätt behov att prioritera. Efter externa sökningar så genomfördes det interna sökningar med hjälp av brainstorming för att frambringa nya konceptlösningar.

3.3 Brainstorming

De framtagna konceptlösningarna undersöktes internt med hjälp av olika metoder av brainstorming. Brainstormings metoderna som användes i detta arbete var Classic brainstorming och start-stop. Det finns även fler andra brainstormings metoder som går att tillämpa för att generera lösningar och problemformuleringar.

3.3.1 Lösningar till varje delproblem

Under Classic brainstorming skapades det en tankekarta där lösningar genererades. Detta gjordes på en White board. Behovet, lättillgänglighet för kunder i förhållande till dagligvaruhandel i matbutiken, med delproblemen:

höga hyllor, höga kyldiskar, trappor, bandet vid kassan och djupa frysdiskar skrevs upp på tankekartan (se figur 9). De lösningar som genererades i Classic brainstorming var lösningar för varje delproblem. När lösningar hade genererats för varje delproblem kunde teamet fatta ett beslut genom att diskutera vilket delproblem som väckte det starkaste intresset att arbeta vidare med. Syftet med detta var att arbetet för detta projekt pågick under en begränsad period. Därför valdes i förstahand bara ett delproblem av fem.

Beslutet teamet tog var att arbeta vidare med delproblemet höga hyllor som presenteras under (tabell 2 i resultatdelen).

Figur 9: klassisk brainstorming där de olika problemen i en butik finns med

3.3.2 Potentiella lösningar till delproblemet höga hyllor

Start-stopp metoden skapades för att identifiera lösningar till det valda delproblemet, höga hyllor. Vid start-stopp metoden satt teamet i 3 minuters intervaller med 3 minuters vila. Under vilan satt teamet tysta där tankarna

arbetade och sedan under den aktiva tiden så skrevs alla idéer ner. Under vilan kunde teammedlemmarna se varandras idéer och på så sätt skapa nya idéer.

Huvudproblemen, höga hyllor i den Classic brainstorming reducerades till de tre huvudkoncepten (mekaniska- och ej mekaniska hyllor och liknande som griptång). De potentiella lösningarna från start-stop för höga hyllor i varubutiker ses i (figur 10) nedan.

Figur 10: Lösningar till höga hyllor i varubutiker

3.4 Koncept

Efter reduceringen kunde teamet skapa mer utförliga lösningar för de tre huvudkoncepten. Och detta gjordes genom att skissa lösningarna för att skapa en bättre kontext. Alla lösningar skissades inte. De lösningar som skissades presenteras nedan under rubrikerna icke mekaniska hyllor, mekaniska hyllor och liknande som griptång.

3.4.1 Icke mekaniska hyllor

Icke mekaniska hyllor är konstruktioner utan elektricitet.

3.4.1.1 Koncept 1

I (figur 11) nedan presenteras det en skiss på hur designen kan se ut om hyllan

Figur 11: Skisser där hyllplanen kan justeras med hjälp av ett snöre

3.4.1.2 Koncept 2

Koncept 2, en stege som kan monteras in på den befintliga hyllan som ett komplement. Stegen ska kunna förflyttas sig i sidled och detta görs via en inmonterad skena längst hela översta delen på hyllan. Stegen har även krokar längst upp som kan konstrueras ihop med hyllans skena (se figur 12).

Figur 12: en stege kan monteras in i hyllan

3.4.1.3 Koncept 3

Ett annat koncept är en roterande hylla. Genom att tillföra en snäckväxel, så kan snäckväxelns rotation utnyttjas då snäckskruven och snäckhjulet roterar i olika riktningar. Detta är för att axlarna är vinkelräta med varandra.

Snäckväxeln ska även användas för att kunna låsa hyllan så att den inte faller ner när en kraft tillämpas. På kortsidan finns det ett snöre som kopplas ihop med snäckväxeln. Kunden ska kunna dra i detta snöre med egen kraft för att justera positionen för hyllplanet (se figur 13).

Figur 13: Roterande hylla med ”snöre”, hyllplan, snäckväxel, axel, kugghjul och axelförband som komponenter.

3.4.2 Mekaniska hyllor

Följande koncept illustrerar hur hyllans design kan konstrueras inom kategorin mekaniska hyllor med någon typ av elektrisk funktion. Tre skisser kan ses nedan.

3.4.2.1 Koncept 4

Hyllplanen på framsidan och baksidan är nästan i samma höjd. Dessa hyllplan kan rotera från framsidan till baksidan. För att kunden ska kunna se varorna på baksidan, när hyllplanen inte roterar, då det är varor på framsidan behövs detta avstånd ökas (se figur 14).

Figur 14: Skiss där hyllorna är fast på en skena som rör sig vilket bidrar till att hyllan roterar till fram- och baksidan

3.4.2.2 Koncept 5

Skissen i (figur 15) har hyllplan som är sneda där produkterna ska kunna falla då ett fäste går upp och detta är självstyrt av kunden. Kunden väljer val av produkt med hjälp av en knapp eller liknande och i sin tur så låser fästet upp sig så att den valda produkten kan falla ned i korgen.

Figur 15: Hyllplanen är sneda så att varorna kan transporteras ned till en korg

3.4.2.3 Koncept 6

Konceptet i (figur 16) har hyllplan som är rörliga och hyllplanen vinklas ned med hjälp av kugghjul. När hyllplanen vinklas ned så lösgörs det samtidigt ett fäste på produkten som i sin tur tas emot av en rörlig låda som går i vertikalled. Vendingmaskiner gav inspiration till detta koncept.

Figur 16: Hyllplan som är rörliga

3.4.3 Liknande som griptång

Koncept 7 och 8 har båda fått inspiration från griptången. En beskrivning samt skiss av de båda koncepten kan ses nedan.

3.4.3.1 Koncept 7

(Figur 17) har en skiss där idén liknar en griptång där vinkeln mellan handtaget och den delen av tången som fångar upp produkten är 90 grader, tanken är att få ett rakt grepp. Det finns även en knapp med en funktion som möjliggör så att tången kan bli längre. Magneter gav inspiration till att kunna ha ett koncept där klon är i ett material som är magnetiskt. Idén har ett syfte till att kunna skapa en attraktion mellan tången/griparen och de önskade produkten.

Figur 17: Idéer där inspiration kom ifrån magneter och griptänger

3.4.3.2 Koncept 8

I (figur 18) så är det ett koncept som efterliknar en griptång. ”Griptången” ska ha en funktion som gör så att axeln ska kunna förlänga sig med hjälp av en elektrisk motor som drivs av ett batteri. Klämmorna i griptången styrs manuellt då det finns en knapp under handtaget.

Figur 18: Griptång förlängnings med en inbyggd elektrisk motor

3.5 Koncept-sållning och poängsättning

Två metoder tillämpades för att välja mellan koncepten som skapades i start- stop. Metoderna utfördes genom att sålla bort koncept samt göra en poängsättning. Detta gjordes på grund av att teamet såg potential hos de koncepten som genererades. De minst lovande koncepten som alstrades från start-stopp (se tabell 3 i resultatet) sållades bort innan en poängsättningsmatris gjordes. Konceptsållningen (se tabell 4 i resultatdelen) gjordes med hjälp av urvalskriterier. Urvalskriteriernas mål var att de skulle uppfylla kundvänligheten (lätt att hantera och använda), att framtagningen inte ska vara komplicerad att tillämpa för matbutiker och att konceptet ska vara slitstark. Ett koncept som består av rörliga komponenter, kan detta leda till slitage vilket innebär att komponenter kommer att behöva underhållas och bytas ut.

dessa urvalskriterier tog hänsyn till att konceptet ska kunna uppfylla syftet för att lösa problemformuleringen, om teamet har tillräcklig information (allmänt) om vardera komponenten, om koncepten kommer tåla den miljön den används i och även om konceptet är kundvänlig.

Det gjordes externa sökningar på de befintliga koncepten för att se ifall det redan fanns lösningar på dem problem som gick vidare i den sista delprocessen för konceptgenereringen, konceptpoängsättning. Eftersom det inte är tillåtet att kopiera någons lösning rakt av på grund av patent. De olika befintliga lösningarna kan kombineras genom att ta fragment från de befintliga lösningarna och applicera på de framtagna lösningarna. En systematisk utforskning gjordes inte då det alstrades ett fåtal lösningar och därför gjordes det ej något konceptklassifikationsträd eller en konceptklassifikationstabell.

3.6 Val av koncept

Med avseende på avgränsningarna då detta arbete var på 18 högskolepoäng, valdes det bara två lösningar att vidareutveckla från huvudkonceptet liknande som griptång och ej mekaniskt. Dessa två huvudkoncepten gick vidare i processen konceptpoängsättningen (se tabell 5). Lösningarna för de två huvudkoncepten så skapades det redan skisser på som utfördes under rubrik 3.4.1 Icke mekaniska hyllor och 3.4.3 Liknande som griptång. De skisser på lösningarna som gick vidare i konceptpoängsättningen var koncept 3 och koncept 8.

3.6.1 Detaljerad analys på de valda koncepten

Externa sökningar genomfördes för att få inspiration till val och typ av komponenter som går att tillämpa på de två valda koncepten samt för att kunna åstadkomma en detaljerad analys. Anledningen var att bland annat kunna ta reda på komponenternas funktion, hur mycket omsorgs krävande de är och hur de fungerar i förhållande till varandra. Detta gjordes för att bli upplyst om de två koncepten och skapa ett underlag. Underlaget var för att sedan klargöra vilka av dessa två koncept som gick vidare i processen (konceptpoängsättning) med tillförda urvalskriterier.

3.6.1.1 Koncept 3

Figur 19: Koncept 3 som valdes att vidareutveckla.

Komponenter för koncept 3: Axelförband, kugghjul, rullningslager, remväxlar (olika typer) och snäckväxlar. Beskrivning av funktion samt detaljernas egenskaper förklaras nedan.

Axelförband

Många maskiner innehåller element som snurrar och vanligtvis så är det axlar.

Med ett axelförband kan (kugghjulet rotera med axeln) man skapa rotationer mellan en axel och ett infäst kugghjul. Den vanligaste metoden för axelförband är att ett nav fästs på en axel och tillämpar en kil som är formbetingad. Detta görs för att skapa en geometriskt förhållande mellan axeln och kugghjulet (se figur 20). Nackdelen med detta är att nav och axel försvagas på grund av spänningskoncentrationer som uppstår. I koncept 3 är tanken att konstruktionen ska bestå av sju axelförband som fungerar som en transmission med målet att få kugghjul och axlar att röra sig tillsammans [10].

Figur 20: Axelförband med kilspår

Kugghjul

Med hjälp av ett kugghjul (se figur 21) överförs rotationen till en remväxel enligt konstruktionen för koncept 3. I koncept 3 är tanken att konstruktionen ska bestå av fem kugghjul med varierande diametrar. Kugghjulet har som funktionen att överföra rotation från en axel till en annan. Fyra av kugghjulen kommer att bestå av antal kuggtänder och som är ihopkopplad med två kedjeremmar. Målet är att kunna överföra rotationsrörelsen från kugghjulet till kedjeremen. Tanken med kugghjulen är att de ska kunna hjälpa till att rotera komponenter (hyllplanen) med hjälp av en tillämpad kraft. Ett kugghjul kommer ha en mindre diameter än de andra, som ska bilda en snäckväxel [10].

Figur 21: Kugghjul med kilspår Snäckväxlar

Axlarna i koncept 3 är vinkelräta med varandra på snäckväxeln (se figur 22) och denna typ av växel har en självlåsning. Vid användningen av snäckväxlar ger det en mycket tyst gång vilket är fördelaktigt om konceptet ska placeras i en matbutik. Nackdelen är att dessa måste underhållas genom smörjning för att minimera nötning mellan kuggarna. I koncept 3 så är inte snäckväxeln i drift konstant utan rör sig med hjälp av en tillämpad kraft från kunden. Detta leder till ett antagande på att drifttemperaturen inte kommer bli så hög. Vilket innebär att det inte leder till haveri på grund av smörjmedlet. Om drifttemperaturen är för hög finns det en risk att smörjmedlet förlorar sina skyddande egenskaper [10], [11].

Rullningslager

När två komponenter glider mot varandra uppstår det friktioner som ger upphov till värme och nötning på komponenterna. Detta leder till att komponenterna slits och i sin tur minskar på livslängden. För att minimera friktionerna kan olika smörjmedel användas och ett rullningslager.

Rullningslager består av ytterring som i denna lösning inte kommer att röra sig. Sedan finns det en innerring som kommer att vara ihopsatt med axeln.

Mellan dessa ringar placeras kulor på ett jämnt avstånd mellan varandra. När axeln roterar och därmed även innerringen snurra börjar kulorna rulla, detta gör att ingen friktion uppstår mellan ytter och innerring vilket leder till en mer hållbar rotationsrörelse (se figur 23). Dock går rullningslager inte att använda i oändlighet. Vid uträkningar för rullningslagrets livslängd beräknas antal driftstimmar och antal varv (uttryckt i miljoner varv). I koncept 3 så kommer rullningslager inte utsättas för kontinuerligt varvtal vilket leder till att man kan bortse ifrån beräkning på livslängden [10].

Figur 23: rullningslager Remväxlar

Olika typer av remväxlar är kedjerem och planrem. Fördelarna med en remväxel är att den vanligtvis är tystgående och vibrationsdämpande samt att de tål höga varvtal. Kedjeremens funktion i koncept 3 är att överföra rotation till kugghjul som är infäst med en axel. Syfte med detta är att hyllplanen ska kunna rotera från högt till lågt läge. Planremens funktion i koncept 3 är att det kommer tillämpas en kraft från en användare för att skapa rotationer på hjulet, planremen är ihopkopplad med. Ett exempel på en typ av planrem (se figur 24) [10].

Figur 24: Planrem

3.6.1.2 Koncept 8

Figur 25: Griptång förlängnings med en inbyggd elektrisk motor

Komponenter för koncept 8: Elektrisk cylindermotor (DC- motor), Gängad axel, muttrar, ihåliga cylindriska axlar, handtag, gripare. Beskrivning av funktion samt detaljernas egenskaper förklaras nedan.

Elektrisk cylindermotor

Elektrisk cylindermotor fungerar som en drivenhet då elektrisk (likström/DC) energi omvandlas till mekanisk rörelse. Den mekaniska rörelsen är rotationer som går i medurs samt moturs, detta görs genom en elektromagnet som är en magnet vars magnetiska fält skapas av en elektrisk ström. En enkel elektromagnet skapas med hjälp av en järnstav som är inlindad i koppartråd.

Koppartrådens funktion i det här fallet är att tråden ska fungera som en ledare så att strömmen kan passera. Beroende på strömmens riktning och riktning på lindning får man antingen en nord-syd magnet eller en syd- nordmagnet, där det sker repellering samt attraktioner hos magneterna. Genom att ändra på den ingående riktning på strömmen leder detta till att den mekaniska rörelsen kan rotera medurs samt moturs. Koncept 8 kommer att bestå av en elektrisk cylindrisk motor med typen DC motor. Motorn kommer att alstra rotationsrörelse i medurs samt moturs till en ihopkopplad gängad axel. DC- motor för koncept 8 kan ses i (figur 26) nedan [12], [13].

Figur 26: Den elektriska motorn som drivs med ström

Gängad axel och mutter

Syftet med att använda en gängad axel är att den ska vara ihopkopplad med DC-motorn. Detta görs för att kunna skruva in en muttrar på den gängade axeln (se figur 27). Målet är att skapa en lämplig passning mellan mutter och den gängade axeln. Avsikten är att muttern ska kunna förflyttas in och ut genom moturs och medurs rotation. Därför är det viktigt att dess komponenter får en lämplig passning mellan varandra.

Figur 27: Motorn monterad ihop med axeln

Ihåliga cylindriska axlar

Konstruktionen kommer bestå av två ihåliga cylindriska axlar, inre cylindrisk axel och ytter cylindrisk axel, med olika diametrar samt tjocklekar. Att ha ett material med låg densitet är något att föredra för hela konstruktionen. Detta i sin tur uppfyller kravet att konstruktionen kommer bli mer kundvänlig på grund av vikten.

Inre cylindriska axeln

Den minsta diameter på den innersta ihåliga cylindern kommer att vara ihopkopplad med mutterns ytterdiameter, detta är för att uppfylla en linjär rörelse som förflyttas in och ut. På den innersta ihålig cylinder kommer det därmed vara en bit som är upphöjd på cylindern (se figur 28) nedan.

Funktionen för den inre cylindriska axeln är att den ska kunna förlängas.

Figur 28: Den inre cylindriska axeln som kan förflyttas fram och tillbaka Yttercylindriska axeln

Tanken med yttercylindriska axeln är att den ska fungera som en broms mot rotationsrörelse som kommer ske i den inre cylindriska axeln. Detta görs genom att konstruera en lång inskärning på hela cylindern (se figur 29). Inre- och yttrecylindern ska ha en lämplig passning så att den inre cylindriska axeln ska kunna röra sig linjärt.

Figur 29: Yttercylindriska axeln med en inskärning Handtag

Materialet för handtaget (se figur 30) kommer att vara i gummi av anledning till att det ska vara enkelt att rengöra samt skapa friktion mellan handgreppen och handtaget. Detta leder till att konsumenten ska kunna få ett fastare grepp vid användning. Med hjälp av en knapp ska den inre cylindriska axeln kunna förlängas. Då kunden trycker på knappen igen så sker det även en translation tillbaka till ursprungsläget. För maximal komfort och fastare grepp kan handtaget vara format efter handen. Handtaget kommer också bestå av en till knapp för “griparen”.

Figur 30: Handtaget med en knapp Gripare

Griparen (se figur 31), som styrs med den andra knappen, har som funktion att greppa produkter från hyllan. Materialet för denna komponent kommer vara i plast. Tack vare knappen så behöver inte konsumenten klämma själv med handen vid nedtagning av en produkt. I detta arbete kommer griparen inte att vara i fokus.

Figur 31: Griparen som greppar varor från hyllan

3.7 Konceptpoängsättning för de två valda koncepten

Efter en detaljerad analys på dem två valda koncepten utfördes det ytterligare en poängsättning med en skala 1–5. Detta gjordes utefter rimliga urvalskriterier. Kriterierna som värderades var baserade på hur viktiga koncepten var för kund, om koncepten var befogad att utföra, passande konceptet för varubutiken och kostnader. Konceptpoängsättningen presenteras i (tabell 6 i resultatet).

3.8 CAD-modell och Assembly för koncept 8

Resultatet som alstrades vid konceptpoängsättning blev att koncept 8 gick vidare i processen (se tabell 6). Detta leder i sin tur att beräkningar behövdes göras för konceptet. De flesta detaljer för koncept 8 alstrades som parts i Inventor redan när en detaljanalys gjordes. Då koncept 8 gick vidare i konceptpoängsättningen så kopplades alla delar ihop i assembly till en fullständig 3D- modell. Den fullständiga 3D-modellen presenteras i resultatdelen under rubriken 4.4 Assembly för koncept 8.

3.9 Beräkningar och verktyg

Första steget för att alstra en robust konstruktion är att hitta fysikaliska fenomen som kan uppstå på konstruktionen. Efter antagande förenklas detta till matematisk beskrivning. En analytisk beräkning görs som sedan kontrolleras/jämförs med ett mjukvaruprogram, Autodesk Inventor Nastran, som fungerar som ett beräkningsverktyg. I detta avsnitt så kommer en analytisk beräkning göras på en av detaljerna för koncept 8. Med hjälp av att hitta fysikaliska fenomen som uppstår på konstruktionen. Matematiska beskrivningarna jämförs sedan med hjälp av en FEM-analys i Nastran.

3.9.1 Analytiska beräkningar för koncept 8

Dem detaljerna som alstrades i Inventor under rubriken, 3.6.1 Detaljerad analys på de valda koncepten, hade teamet som mål att ha rimliga mått på detaljerna. Syftet med detta var att teamet strävade efter en rimlig kostnad vid materialval till konceptet. Från 3D-modellen kunde kritiska punkter identifieras när konceptet utsätts för en yttre kraft (se figur 32). Teamets beslut för krav för koncept 8 presenteras i resultatdelen under rubrik 4.5 Krav för koncept 8. Ett av kraven för koncept 8 var att konceptet ska kunna bära 0,5 kg. Hållfasthetsberäkningarna utfördes därför med avseende på vikten. Och när koncept 8 blir utsatt för en kraft kommer det att uppstå böjspänningar.

Detta innebar att beräkningarna som alstras kommer att ta hänsyn till den dimensionerande böjspänningen som uppstår på koncept 8.

Figur 32: Axeln förlängd maximalt

3.9.2 Komponenten, inre cylindriska axeln med den dimensionerade spänningen

I detta kapitel utförs beräkningar för materialval utefter den dimensionerande spänningen för komponenten, inre cylindriska axeln. Syftet med detta är att skapa en hållfast konstruktion samt hitta ett prisvärt material för hela konceptet. Denna uträkning gjordes på grund av att teamet antog att detaljen kommer att ha den dimensionerande spänningen då detaljen kan förlängas.

När axeln är vid sin maximala förläggning kommer komponenten att utsättas för en kraft på 4,905 N vilket leder till att böjspänningar kommer att inträffa.

Med detta så kan teamet hitta rätt samt ett rimligt material och även dimensionera axelröret. Syftet är att komponenten inte ska haverera för det önskade materialet teamet strävar efter.

3.9.3 Materialval för komponenten, inre cylindriska axeln

Aluminium är ett material som inte är kostsamt. Aluminiums sträckgräns enligt Karl Björk är på 60 MPa [7] vilket leder till att detaljens maximala böjspänning måste vara lägre än 60 MPa. Varierande antagande för den inre cylindriska axeln gjordes på den yttre diametern för att hitta en lägre böjspänning än aluminiums sträckgräns.

Böjmotståndet beräknades med ekvation (3)  ൌ ^{஠൫ଵଶరିଵ଴ర൯}

ଷଶήଵଶ ൌ ͺ͹ǡͺ͵͵݉݉^ଷ

Genom att värden för W och F har genererats kunde det böjande momentet beräknas med ekvation (2)

 ൌ ͶǡͻͲͷ ή Ͷ͸Ͳ ൌ ʹʹͷ͸ǡ͵ܰ݉݉

som sedan sätts in i ekvation (1) för att få fram böjspänningen ɐ ൌ ^{ଶଶହ଺ǡଷ}

଼଻ǡ଼ଷଷ ൌ ʹͷǡ͸ͺͺܯܲܽ

Det slutliga resultatet på ytterdiametern för detaljen blev då 12 mm. Detta ledde till att den maximala böjspänningen som uppstår blev 25,688 MPa.

Eftersom detaljens ytterdiameter blev 12 mm kunde teamet dimensionera den inre diametern på detaljen med ett mått på 10 mm. De resterande mått för de andra komponenterna gjordes efter dimensioneringen som alstrade för yttre diametern för komponenten inre cylindriska axeln. Detta presenteras under rubrik 4.6 Koncept 8 - dimensioner och materialval i resultatdelen. Det presenteras även tabeller med dimensioner på komponenterna som kan ses i (tabell 7) och (tabell 8).

3.10 Beräkning för att verifiera böjspänning

Det utfördes även en annan beräkning för att verifiera den tidigare beräkningen som gjordes för böjspänningen. En generell transformation görs till ett 2-dimensionellt plan för komponenten, inre cylindriska axeln. Med hjälp av att skapa en friläggning och använda Mohrs cirkels ekvationen så kan huvudspänningar beräknas samt effektivspänningar. Dessa effektivspänningar kan sedan jämföras med böjspänningen som alstrades tidigare.

3.10.1 Friläggning på element samt beräkning av spänningar

En friläggning på 2-dimensionellt plan för komponenten, inre cylindriska axeln när den utsätts för en kraft.

Figur 33: Friläggning på element

Mohrs cirkels ekvationer alstrades för att kunna beräkna huvudspänningar samt effektivspänningar. Dessa spänningar verifieras med böjspänningen som alstrades underrubrik 3.9.3 Materialval för komponenten, inre cylindriska axeln.

Radien i Mohrs cirkel beräknas med ekvation (6)

ܴ ൌ ඨ൬െʹͷǡ͸ͺͺ

ʹ ൰

ଶ

ൌ ͳʹǡͺͶͶ

Med hjälp av ekvation (7) så beräknades den centrerade punkten i Mohrs cirkel

ߪ_௖ ൌ Ͳ ൅ ʹͷǡ͸ͺͺ

ʹ ൌ െͳʹǡͺͶͶܯ݌ܽ

och huvudspänningarna genererades med hjälp av en kombination av ekvation (6) och (7). Med ekvation (8) så beräknades huvudspänningarna (vid plant tillstånd).

ߪ_ଵ ൌ െͳʹǡͺͶͶ ൅ ͳʹǡͺͶͶ ൌ Ͳܯ݌ܽ

ߪ_ଶ ൌ െͳʹǡͺͶͶ െ ͳʹǡͺͶͶ ൌ െʹͷǡ͸ͺͺܯܲܽ

Som nämnt i teorin finns det två olika typer av effektivspänningar. I detta arbete valdes det att beräkna de båda effektivspänningarna, Tresca och von Mises. Genom att använda ekvation (9) kan Trescas effetivspänning beräknas och ekvation (10) von Mises. Detta beräknas genom att stoppa in värdena för huvudspänningarna som beräknades ovan.

Enligt Tresca:

ߪ_௘^் ൌ ሾȁͲ െ ሺെʹͷǡ͸ͺͺሻȁǡ ȁെʹͷǡ͸ͺͺ െͲȁǡ ȁͲ െͲȁሿ Enligt von Mises:

ߪ_௘^௏௠ ൌ ሾͳ

ʹሺͲ െ ሺെʹͷǡ͸ͺͺሻሻ^ଶ ൅ ሺሺെʹͷǡ͸ͺͺ െ Ͳሻ^ଶ ൅ ሺͲ െ Ͳሻ^ଶሿ^ଵଶ Resultatet vid jämförelse av dess spänningar presenteras i resultat delen underrubrik 4.7 Verifiering av spänningar.

3.10.2 Verktyg

Efter den analytiska beräkningen genomfördes även en FEM-analys. Genom programmet kunde värden på spänningarna jämföras. Detta var för att säkerhetsställa att materialvalet som beräknades tidigare för detaljen, inre cylindriska axeln har den hållfasthet som krävs när den utsätts för en yttre kraft.

Det skapades ett 2D-cirkulärt plan i Autodesk Inventor genom att rita två parallella linjer med en given längd. Avståndet mellan de två linjerna var lika med radien för detaljens ytterdiameter adderad med halva tjockleken av detaljens inre diameter. Detta gjordes för att skapa ett rör (se figur 34) nedan.

Modellen analyserades sedan med hjälp av Autodesk Nastran.