Utveckling av termos

Utveckling av termos

En studie som ligger till grund för utveckling av 3TEMP Hipster termos

Development of thermos

A study that underlies the development of a 3TEMP Hipster thermos

Christian Thirslund

Fakulteten för hälsa, natur- och teknikvetenskap Examensarbete för kandidatexamen i maskinteknik 15 hp

Sammanfattning

Rapporten innefattar en förstudie som ligger till grund för en utveckling av en 3TEMP Hipster termos. Rapporten inkluderar framtagandet av ett nytt koncept med lämpliga material som stöds med beräkningar. Hela processen från kravspecifikation till ett färdigt koncept av termos är i detalj beskrivet.

Termosens kvalitet i form av användarvänlighet och design har legat under viljad nivå och önskas förbättras. Central del av projektet innefattas av att undersöka en spiraltank bestående av spirallindat rör som alternativ.

Förstudien visade på att genom att ersätta den traditionella cylindriska tanken med spiralformat rör istället medförs en ökad massa och högre värmeförlust vid påfyllning. Dock ger den ökade och förbättrade isoleringstjockleken en bättre isolerande effekt än befintlig termos som gynnar termosen under användning. Termosen innehar en design som symboliserar kvalitet och exklusivitet. Tankens elektropolerade austenitiska rostfria stål SS-2333 är av dimension 25.4 x 1.65 mm för att rullbockas för att skapa tanksystemet vilket materialet bidrar termosen med ökad kvalitet.

Studien resulterade också i alternativa material som fenolskum och austenitiskt rostfritt stål AISI 205 för att öka termosens kvalitet. Även Tomlinson tappkran nyttjades för att öka användarvänligheten. Lösningsalternativet presenteras även som en geometrimodellering i CAD och utformad för att möta 3TEMP’s önskemål.

Nyckelord: Spiraltank, Massa, Värmeförlust, Isoleringstjocklek, Elektropolerad, Dimension, Material,

Abstract

The report includes a study that underlies a development of a 3TEMP Hipster thermos. The report includes development of a new concept with suitable material that is supported by calculations. The entire process from requirement specification to a completed concept of the thermos is in detail described.

The quality of the thermos in terms of usability and design has been beneath required level and is wished to be improved. A central part of the project includes a study of a spiral shaped tank consisting of spiral wound pipes as a alternative.

The study showed by replacing the traditional cylindrical tank with a spiral shaped pipe instead resulted in an increased mass, higher heat loss while filling. However, the improved and increased isolation thickness results in a improved insulation effect than existing thermos that favor it while being used. The thermos contains a design that symbolise quality and exclusivity. The electropolished austenitic stainless steel SS-2333 is by the dimension 25.4 x 1.65 mm in order to allow roll bending as manufacturing method to create the tank system where the material also improved the quality of the thermos.

The study also resulted in alternative material to apply for the thermos such as phenolic foam and austenitic stainless steel AISI 205 in order to increase the quality of the thermos. Also, Tomlinson tap is utilized to increase the usability for the customers. The solution of alternative is also presented as a geometry modelling in CAD and was shaped to meet 3TEMP’s requirements.

Keywords: _{​Spiral Tank, Mass, Heat Loss, Insulation Thickness, Electropolished, Dimension, Material,}

Innehållsförteckning

1 Inledning 1 1.1 Bakgrund 1 1.2 Problemformulering 1 1.3 Syfte 1 1.4 Målsättning 2 1.5 Avgränsningar 2 2 Teori 3 2.1 Kaffe 3 2.2 Isolering 3 2.3 Elektropolering 6 3 Metod 7 3.1 Projektplanering 7 3.2 Nulägesanalys 7 3.3 Produktspecifikation 7 3.4 Konceptgenerering 8 3.5 Konceptvalidering 8 4 Resultat 9 4.1 Projektplanering 9 4.2 Nulägesanalys 9 4.3 Produktspecifikaion 11 4.4 Konceptgenerering 12 4.5 Konceptvalidering 14 4.6 Vidareutveckling 16

4.6.1 Tank och isolering 17

4.6.2 Kropp 22

4.6.4 Underplatta 24 4.6.5 Spillbricka 25 4.6.6 Handtag 27 4.6.7 Lock 27 4.6.8 Stativ 28 5 Diskussion 30 5.1 Metodik 30

5.2 Reflektion över resultat 30

Nomenklatur

Beteckning Storhet Enhet

Q Värmeenergi [J]

Q´ Värmeenergi per tidsenhet [J s_​-1​_]

1 Inledning

Projektet utförs i kursen Examensarbete för kandidatexamen i Maskinteknik, MTGC11 vid fakulteten för hälsa, natur- och teknikvetenskap på Karlstad Universitet. Projektet omfattas av 15 Hp och löper under vårterminen år 2020. Projektet utförs i samverkan med företaget 3TEMP.

1.1 Bakgrund

3TEMP är ett företag lokaliserad i Arvika, Sverige. Företaget etablerades år 2013 och efter några år köptes upp av Plae2Tech. Företaget Plae2Tech bedriver idag verksamheten framåt med en marknadsvision att utveckla, tillverka och marknadsföra kaffemaskiner av hög kvalitet till den professionella kaffemarknaden. Företaget innehar många års erfarenhet med en affärsidé att besitta stor respekt för själva kaffet och tillhörande kaffeprocess. Visionen har bidragit till ett kundsegment som utgörs av kunder från alla världens hörn [1].

Företaget har genom tiderna utvecklat ett flertal kaffemaskiner vilket en serie kallat Hipster legat i fokus. Hipster är en serie av kaffemaskiner som signalerar kvalitet och exklusivitet. 3TEMP presterar med kontinuerliga förbättringar och ska nuvarande utveckla en ny version av kaffetermos tillhörande Hipster med inriktning att överträffa marknadens behov [1].

1.2 Problemformulering

Problemformulering som formar skäl till projektet är att termosens kvalitet och användarvänligheten har under länge tid legat under önskad nivå. Den centrala utmaningen i projektet är att utforska ett spiraltanks alternativ gjord av spirallindat rör istället för den traditionella cylindriska tanken. Det finns förbättringsområden att göra termosen mer användarvänlig genom att forma konstruktionen sådan att kunden lättare kan använda och serva termosen.

1.3 Syfte

1.4 Målsättning

Målet med projektet är att undersöka spiraltanks alternativ med material från Calamo för att utveckla en ny Hipster termos för 3TEMP. Förbättringsområden över användarvänligheten är också en del av studien.

1.5 Avgränsningar

2 Teori

I detta kapitel beskrivs bakomliggande teori som nyttjas under projektets gång.

2.1 Kaffe

Smaken på kaffet påverkas av ett flertal olika parametrar. För att säkerställa kvaliteten på kaffet behövs bland annat rätt temperatur. Vattnets temperatur ska vara inom ett intervall mellan 92 - 96 grader Celsius när vattnet träffar kaffebädden innan det rinner igenom filtret och ned i termosen. Om vattnet är varmare än tillåtet intervall vid kontakt av kaffebädd blir smaken på kaffet bittert och understiger vattnet gränsen blir smaken för söt. Av den anledningen får inte kaffets temperatur understiga en temperatur på 92 grader Celsius när kaffet rinner ned i termosen. Dock tillåts temperaturen sjunka till individuell smak vid dryck eftersom smakämnena frigjorts. Bryggprocessen blir avgörande för kaffets kvalitet, där kaffekornens malningsgrad och dosering är viktiga aspekter att ta hänsyn till. Eftersom små kaffekorn inte tillåter vattnet att flöda igenom med rätt hastighet och stora kaffekorn låter vattnet forsa förbi kaffefiltret vilket gör det viktigt att hitta en balans [2].

Företaget 3TEMP har tillsammans med Löfbergs utvecklat en CPA (Coffee Particle Analyser) enhet som används för att kontrollera malningsgrad genom att mäta kaffekornens kontaktyta i relation till kaffekornens storlek. Enheten tillåter användaren att analysera om malningen av kaffekornen sker optimalt eller om justeringar behöver implementeras för att erhålla en hög kvalitet av kaffe [3].

2.2 Isolering

Termodynamikens fyra huvudsatser enligt [4]:

0. Nollte huvudsats, vid termisk jämvikt har allt samma temperatur.

1. Första huvudsats (energiprincipen), energi kan varken skapas eller förstöras utan kan enbart ändra form.

2. Andra huvudsats, den totala entropin ökar vilket betyder att naturliga processer bara kan ske spontant i en riktning.

3. Tredje huvudsats, entropin för en ren kristallin substans är noll vid absoluta nollpunkten.

Energi kan överföras till eller från en kropp genom två mekanismer, värmeöverföring Q och arbete W. Drivkraften till värmeöverföring är en temperaturskillnad där systemet strävar efter att uppnå jämvikt, medan arbetet syftar på tillförd energi. Den mängd värme överförd under en process beskrivs som Q och mängd värme överförd under en viss tidsenhet beskrivs som Q’. Givet att variationen av värmeenergin är känt och givet fall med konstant värmeflöde Q’ = konstant (stationärt tillstånd) råder följande uttryck nedan [4].

dt Δt

Q =

_∫

Δt

0

Q′ = Q′ (1)

Termodynamikens första huvudsats, energin kan varken skapas eller förstöras, kan enbart ändra form. Till följd av huvudsatsen gäller att den totala energin i ett system är differensen mellan ingående- och utgående energi i systemet. Ett slutet system består av en fixerad massa som den huvudsakliga energin i systemet är bestående av intern energi. För ett slutet stationärt system vilket inget arbete utfört gäller sambandet nedan [4].

C ΔT

E_in− E_out= Q = m p (2)

mellan medium för att uppnå jämvikt. Naturlig konvektion är av den typ som rörelser inte skapas av extern källa, utan uppstår av en termisk temperaturskillnad mellan medier. Värmekonvektionen mellan gas och material beskrivs av Newtons lag för värmeöverföring [4].

A (T )

Q′= U s in− Tout (3)

Termisk resistivitet är en parameter som beskriver värmemotståndet i ett eller flera objekt. Motståndet kan modelleras som en krets där värmeflödet beskriver strömningen [4], illustreras i Figur 1.

Figur 1. Illustrerar motståndets strömning av termisk resistivitet.

Den totala termiska resistiviteten blir ett nätverk av medier. Viktiga bidrag för att erhålla en hög resistivitet, det vill säga en isolerande effekt är väggtjocklek och materialets värmeledningsförmåga. En god isolator önskas inneha en hög termisk resistivitet och på så sätt blir konstruktionens form och material viktigt. Objektets mantelarea blir en bidragande faktor då objektets ledningsytor påverkar värmeflödets väg att ta [4].

Termisk resistivitet ges av ..

R_tot = R₁+ R₂+ . + Rn (4)

Följande samband råder

U = 1

A Rs tot (5)

R = L

KAs (6)

Rconv = _hA1_s (7)

Med hjälp av ovanstående samband ekvation 5, ekvation 6 och ekvation 7 kan ekvation 4 skrivas om till följande

2.3 Elektropolering

3 Metod

Metoden beskriver hela projektprocessen med tillhörande metoder och verktyg som nyttjades under projektets gång.

3.1 Projektplanering

Projektplaneringen genomfördes enligt teorin om produktutveckling som beskrivs i [6]. Teorin innefattas av en plan med syftet att beskriva hur problemet ligger till grund för att lösas. Projektplanen beskriver också hur resurserna kommer fördelas för tillhörande aktiviteter och tidsramar för projektet.

För att översiktligt planera aktiviteter i förhållande till tiden nyttjades ett Gantt-schema. Schemat redovisar huvud- och subaktiviteternas samverkan samtidigt som projektets tidsutsträckning illustreras. Metoden ger upphov till en bild över projektets befinnande läge och tidshorisont.

3.2 Nulägesanalys

En nulägesanalys är första steget av en förändringsprocess och har som syfte att ge en förståelse av organisationens aktuella läge. Förståelsen skapar en bild av företagets behov att uppfylla för att undersöka potentiella förbättringsområden. Analysen ger en grund till vad som ska utvecklas för att uppnå målet [6].

3.3 Produktspecifikation

Produktspecifikationens uppgift är att skapa underlag att identifiera konceptets uppfyllnad. Produktspecifikationen består av en samling av kriterier som ska uppfyllas för att stämma överens med produktens ändamål. Kriterier är av alternativ krav eller önskan beroende på viktning. Metoden är en iterativ process vilket menas att samtliga krav och önskemål har möjlighet att korrigeras under projektets gång, eftersom kunskaper om produktens ändamål ökar under projektets genomförande [6].

Utformningen ställer även behovet att vara tillräcklig detaljrik för att användas vid val av olika lösningar. Bakomliggande anledning är att produktspecifikationen blir ett verktyg för att identifiera vilka lösningar som uppfyller respektive krav och önskemål [6].

3.4 Konceptgenerering

Konceptgenereringen har till syfte att ta fram ett antal konceptuella produktlösningar som uppfyller produktspecifikationen. Processen sker med hjälp av systematiska kreativa metoder med idén att generera lösningsförslag till behovet att uppfylla. Kriterierna i produktspecifikationen blir utgångspunkter för utformning av lösningsalternativen [6].

Kreativa metoder som används för konceptgenerering är brainstorming/brainsketching. Metoden har utgångspunkten att generera koncept utan att djupt bedöma framkommit resultat. Kvalitet framför kvantitet ska inte eftersträvas för att tillåtas tänka utanför det vanliga. Metoden erhåller ett flertal koncept som tillåts kombineras för att skapa rum för fler idéer [6].

Som följd att brainstorming/brainsketching används kategorisering som metod. Framtagna koncept delas in i lämpliga kategorier för att vidareutvecklas och kombineras. Metoden analyserar respektive koncept för att ta fram för- och nackdelar [6].

3.5 Konceptvalidering

En metod för att utvärdera lösningsalternativ är att nyttja en elimineringsmatris. Koncepten ställs i förhör mot samtliga kriterier i matrisen, om konceptet fullföljer samtliga kriterier fullföljs konceptet vidare till nästa utvärderingsomgång. Metoden tillåter även en bedömning om tilläggsinformation är nödvändigt för att undersöka konceptet ytterligare. Under genomförandet av elimineringsmatrisen finns det även rum att konstruera nya goda alternativ som är av kombination av tidigare. Som resultat från metoden erhålls koncept som fullföljer kriterierna i matrisen och en grund till nästa steg av utvärdering [6].

jämförelsen blir en summering av bedömningar och ett nettovärde fås fram. Baserat på nettovärdet kan lösningsalternativen rangordnas och beslut tas om vidareutveckling [6].

4 Resultat

I detta kapitel kommer resultatet av samtliga projektfaser och lösningsalternativet att presenteras och beskrivas.

4.1 Projektplanering

Projektplanen utformade en projektstruktur att följa för att minimera risken för förseningar. Projektet fick en struktur att följa för att utföra arbetet i ordning och tid. Projektplanen innehöll en projektmodell med projektets ingående aktiviteter. Till följd av projektmodellen formades även ett Gantt-schema för att visualisera projektflödet.

4.2 Nulägesanalys

3TEMP hade tillsammans med Calamo i Molkom inspekterat möjligheten om ett alternativ till normalfallet med en cylindrisk tank. Istället önskades ett cylindriskt rör i spiralform att användas för att få ned tillverkningskostnaden för termosen. Tillhörande rören fanns även standardkopplingar att nyttja till fördel. Calamo besatt stor erfarenhet av bland annat rostfria rör och elektropolering. 3TEMP önskade undersöka området för att bli en potentiell verklighet [7].

En 3TEMP termos som rymde 3.8 liter hade en tillverkningskostnad på cirka 1700 kronor styck med en produktionsserie på 5000 stycken per år. Detta gav en riktlinje av vad som eftersträvades.

I dagsläget hade 3TEMP Hipster termosen en tappkran som var otydlig att förstå. Användaren blev osäker om vart själva koppen skulle ställas och resulterade i att användaren inte höll koppen under tappkranen. Felplacerad kopp ledde till att kunder kunde brännas på det rinnande kaffe och av den anledning önskades termosen användarvänlighet förbättras [1]. Alternativet var att nyttja en enkel _​

Tomlinson

tappkran istället vilket kunden enkelt kunde förutse vart kaffet flödade ut, se Figur 2. Tappkranen var enkel och entydig samtidigt som det var av en standard vilket simpelt kunde bytas ut vid behov [8].

Figur 2. Illustrering av _​

Tomlinson

_​

tappkran.

3TEMP hade ett befintligt system för att mäta vikten av hur mycket kaffe som fanns i tanken. Vikten mättes genom att använda en våg. Vågen kunde kommunicera med extern maskin och på så sätt visste användaren när det var dags för påfyllnad. 3TEMP hade kunskap inom området och därav önskades utrymme för vågen utformas i termosen.

Företagets nuvarande Hipster termos hade svart plast som design. Materialet var av ABS-plast vilket formades genom formsprutning. Formsprutningen skedde genom två halvor och var därav beroende av tillhörande formverktyg. Förutom tillverkning, svart plast tycktes ej fungera av anledningen att det ansågs se billigt ut. Termosen önskades symbolisera kvalitet samt erfarenhet och därav fanns förbättringsområde av ett alternativt material att nyttja vid termosens kropp [9].

Nuvarande leveranstid på termosen var över önskad nivå. Det kunde ta flertal månader innan termosen var redo för leverans vilket tiden behövde förkortas. Flertal av komponenterna tillverkades i Kina vilket var en bidragande faktor till nuvarande leveranstid.

4.3 Produktspecifikaion

Resultatet av produktspecifikation finns tillgänglig i Tabell 1 som består av samtliga kriterier med respektive förklarande beskrivning. Kriterierna delades upp i krav som måste uppfyllas och önskemål som strävade mot att uppfyllas.

Tabell 1. Produktspecifikation

Krav

Nummer Beskrivning Kategori Vem

Begränsan /Funktion

1 Produceras i Arvika Krav 3TEMP B

2 Innermaterial bestämt Krav 3TEMP B

3 Skalbar Krav 3TEMP F

4 Isolering Krav 3TEMP F

5 Tomlinson tappkran/Vred som kulventil Krav 3TEMP B

6 Delbar Önskan 3TEMP F

7 Bärhandtag Krav 3TEMP F

8 Brandas Krav 3TEMP F

9 Inbyggd våg Krav 3TEMP F

10 Spillbricka Krav 3TEMP F

11 Förlust på maximalt 3 grader per timme Krav 3TEMP B

12 Estetisk tilltalande design Önskan Christian F

13 Tåla rengöringsmedel Krav Christian B

14 Tåla vatten/kaffe miljön Krav Christian B

1. Företaget 3TEMP ska själva kunna producera termosen i Arvika.

2. Innermaterial elektropolerat austenitiskt rostfritt stål SS-2333 plåt/rör. 3. Olika storlekar: 2.5 liter, 3.8 liter och 5 liter. Konstruktionen ska göras skalbar. 4. Lämplig isolering för att behålla värmen i termosen.

8. Ska kunna enkelt brandas som säkerhet.

9. Plats för inbyggd våg som kan kommunicera med extern maskin. 10. Spillbricka för att enkelt rengöra.

11. Tappa max 3 grader Celsius per timme vid full tank. 12. Frihet på design som tilltalar företaget 3TEMP estetik. 13. Materialet ska tåla rengöringsmedel vid rengöring av termos. 14. Materialet ska tåla vatten/kaffe miljön utan materialpåverkan.

4.4 Konceptgenerering

Genom att använda brainstorming/brainsketching som kreativa metoder i följd med kategorisering erhölls följande resultat som illustreras i Figur 3, Figur 4 och Figur 5.

Figur 3. Framtagen alternativlösning, koncept 1.

Figur 4. Framtagen alternativlösning, koncept 2.

Figur 4 illustrerar ett koncept där termosen hade inböjda väggar och var cylindrisk formad. Tanken var bestående av en enkel spiral vilket gjorde tillverkningen enkel i relation till spiral med flera horisontella varv. Spillbrickan var avtagbar sidledes genom ett spår.

Figur 5. Framtagen alternativlösning, koncept 3.

4.5 Konceptvalidering

Alternativlösningarna utvärderades genom elimineringsmatris och relativ beslutsmatris, se Tabell 2 och Tabell 3.

Tabell 2. Elimineringsmatris Elimineringskriterier: (+) Ja (-) Nej (?) Mer info krävs (!) Kontroll produktspecifikation Beslut: (+) Ja (-) Nej (?) Mer info krävs (!) Kontroll produktspecifikation Beslut: 1 + + + + + + Ja 2 + + + + + + Ja 3 + + - + + + Nej

Tabell 3. Beslutsmatris Produktspecifikations nummer Lösning/Koncept 1 (referens) 2 1 - 2 0 3 - 4 0 5 0 6 - 7 0 8 0 9 0 10 - 11 0 12 0 13 0 14 0 Summa + 0 Summa 0 10 Summa - 4 Nettovärde 0 −4 Rangordning 1 2 Vidareutveckling Ja Nej

4.6 Vidareutveckling

Framtaget koncept av lösningsalternativet som beslutades för vidareutveckling presenteras i Figur 6. Lösningsalternativet är en renderad geometrimodellering av hur termosen skulle kunna se ut. Exploderad vy av lösningsalternativet finns att se i Bilaga 2.

4.6.1 Tank och isolering

Tanken är bestående av en inner- och ytterspiral för att nyttja tankens volym samtidigt som röret tillåts att bearbetas. För att minimera både ledningsytor och volym blev större radie av rör till fördel medan mindre radie var fördelaktigt gällande bockning, därav blev en balans nödvändig. Dimension av rör valdes till att vara 25.4 x 1.65 mm (ytterdiameter x tjocklek). Dimensionen var av standardiserat mått från Calamos befintliga utbud [10]. Utifrån given data kunde lämpliga längder för spiralröret erhållas.

r L

V = π _inner2

tot (9)

Utifrån ekvation 9 framtogs lämplig längd. Längden per varv antogs vara omkretsen av en cirkel.

πr

Lvarv = 2 (10)

Från ekvation 9 och ekvation 10 erhölls antal nödvändiga varv för respektive spiral att uppnå önskad volym.

n_varv = Ltot

Lvarv (11)

Spiralhöjden blev därav följande

n

z_Spiral = d_{ytter varv} (12)

Tabell 4. Erhållna dimensioner beroende av volym

Volym 2.5 liter Volym 3.8 liter Volym 5 liter

Yttre Spiraldiameter [cm] 16 19 22

Inre Spiraldiameter [cm] 10 14 17

Höjd Spiraltank [cm] 20.3 24.3 27.1

Diameter Spiraltank [cm] 17.5 20.5 23.5

Tilläggningsvis, utifrån ekvation 9 kunde spiralens massa tas fram

V

m = ρ (13)

Ur ekvation 13 ovan beräknades massan för spiraltanken vilket presenteras i Tabell 5 nedan, se Bilaga 1 för beräkning.

Tabell 5. Massa för respektive volym av termos

Volym 2.5 liter Volym 3.8 liter Volym 5 liter

Spiraltank massa [kg] 6.3 9.58 12.6

Figur 7. Egenskapsdiagram till materialval för isolering på tanken.

Den grafiska lösningen med hjälp av CES-Edupack visas i Figur 7. Material längs ned till vänster var bäst passande till materialets utsatta fall som är befinnande längs trade-off kurvan. Materialet fenolskum (sluten cell) som var av materialgruppen härdplast hade lägst värmeledningsförmåga av samtliga material och innehöll ett lågt pris. Materialet fenolskum (sluten cell) valdes grundat på värmeledningsförmågans högre viktning gentemot priset.

Skum med slutna celler består av ett högt antal mikroskopiska intakta bubblor. Strukturen med slutna celler ger gasfickor som är slutna från varandra, på så sätt erhåller skummet en högre dimensionell stabilitet. Strukturen minimerar flödet genom kroppen som leder till att den termiska energin isoleras, till skillnad från öppna celler där luften kan flöda genom kroppen. Därav bidrog skum med slutna celler till en fördel vid termiskviktade material som önskade inneha en hög isolerande effekt [12].

Tabell 6. Lämpliga isoleringstjocklek för respektive volym

Volym 2.5 liter Volym 3.8 liter Volym 5 liter

Isoleringstjocklek [cm] 2.21 1.93 1.88

Tanken är av materialet elektropolerat austenitiskt rostfritt stål SS-2333 i form av ett rör med dimensionen 25.4 x 1.65 mm. Det elektropolerade materialet var från Calamo och därav sattes som restriktion till att nyttjas.

Figur 8. Egenskapsdiagram till materialalternativ för tank.

Materialet austenitiskt rostfritt stål SS-2333 är samma som AISI 304 fast med annan beteckning [13]. Värmeledningsförmågan önskades minimeras medan formbarhet i form av duktiliteten för materialet önskades maximeras, CES-Edupack nyttjades som verktyg för materialvalet. Samtliga rostfritt stålmaterial hade liknande önskvärda egenskaper där AISI 304 hade hög duktilitet och låg värmeledningsförmåga i relation till resterande material enligt Figur 8. Av den anledning var materialet AISI 304 av god val.

kopplingar, förslagsvis klämhylsor vilka enkelt och kostnadseffektivt kunde nyttjas för att koppla samman spiralerna med systemet.

Figur 9. Spiralformad tank.

Figur 9 illustrerar hur tanken kan se ut och kommer att omslutas av isoleringen. Tanken placerades i själva kroppen av termosen. Tanken innesluts sedan av isolering med tjocklek givna i Tabell 6 beroende på volym av tank. Isoleringen omsluter alla tankens ytor: tankens sidor, övre- och nedre yta för att säkerställa att hela tanken behåller värmen. Isoleringen placeras i spiraltankens inre hålrum samtidigt som den placeras mellan tanken och kroppens väggar. Konstruktionen var utformad sådan att isoleringen snabbt och enkelt kunde fyllas vid montering för en effektivare produktion eftersom komponenterna monterades i tur och ordning i ned- och upp struktur.

i relation till en optimerad cylindrisk tank med en temperaturförlust på cirka 3 grader Celsius beroende på volym av termos.

4.6.2 Kropp

Målet för kroppen var att minimera pris och värmeledningsförmågan samtidigt som kompressiv styvhet önskades maximeras. CES-Edupack nyttjades som verktyg för att plotta ett egenskapsdiagram med materialegenskaper i respektive diagramaxel. Ur diagrammet erhölls ett flertal lämpliga urval av material att välja bland.

Figur 10. Egenskapsdiagram till materialval för kroppen på tanken.

Kroppen är gjord av en öppen cylindrisk form visad i Figur 11. Geometrin är simpel och utförs genom rullbockning av plåt. Metoden är enkel och rullbockningen kunde även göras med manuell rullbockningsmaskin för att uppnå radien. Därmed blev valet av materialet en förbättring eftersom tillverkningen hölls enkel samtidigt som materialet signalerade estetik [9].

För att säkerställa att kroppen klarade den utsatta belastningen, utfördes en FEM analys med hjälp av Creo Simulate som verktyg. Kroppens tjocklek var satt till att vara 1.0 mm och belastningsfallet var satt till en trycklast på 20 kg som ett extremfall.

(a) (b)

Figur 11. FEM Simulering av kropp. (a) visar förskjutningen som uppstår på kroppen på grund av pålagd last och (b) visar spänningar i kroppen.

Utfallet av simuleringen visas i Figur 11. Utfallet tyder på att kroppen hade en opåverkbar låg deformation till den utsatta belastningen. Högst spänning förekom vid hålkanten vilket ligger under materialets sträckgräns. Därav hade kroppen tillräckligt formad geometri och material för att uppfylla utsatt funktion. Resultatet av simuleringen gav att en kropp av 1.0 mm plåt av materialet AISI 205 var ett lämpligt val.

4.6.3 Tappkran

minimerat antal specialtillverkade komponenter som ledde till en kostnadseffektivare konstruktion. Standardiserade komponenter kunde köpas in istället för att själva tillverka som gynnar konstruktionen produktionsmässigt. Tomlinson tappkran gav även användaren tydlighet hur kaffet rann ur termosen vilket ökade användarvänligheten [8].

4.6.4 Underplatta

Underplattan är en del av skalet på termosen och har som funktion att förknippa termosens fot till övre del samtidigt som underplattan bär tanken. Underplattan var av den anledning en central del i termosen då den utsätts för belastning. Med hjälp av CES-Edupack undersöktes det befintliga ABS-plastmaterialet. Restriktioner sattes till att vara plastmaterial som tillät formsprutning som tillverkningsmetod.

Figur 12. Egenskapsdiagram till materialval för alternativt plast.

Egenskapsdiagrammet Figur 12 innehar ett flertal plastmaterial som tillåter formsprutning som tillverkningsmetod, dock var plastmaterialen som hade lägre pris och högre styvhet än ABS-plasten en estetik som ej symboliserade kvalitet. ABS-plasten innehöll lågt pris och hög styvhet och valdes till att nyttjas som material.

(a) (b)

Figur 13. FEM Simulering av underplatta. (a) visar förskjutningen som uppstår på underplattan på grund av pålagd last och (b) visar spänningar i underplattan.

Simuleringen som visas i Figur 13 beskriver att deformationen var låg fast märkbar synlig och att maximal spänning i materialet var under materialet sträckgräns. Simuleringen gav att detaljen var av tillräcklig form och material för att klara av den utsatta miljön. Diagonala avstyvningar adderades av anledningen att öka vridstyvheten för att minska deformationen. Det finns även plats för en våg att placeras i underplattan för att mäta vikt av tank vilket önskades av 3TEMP.

4.6.5 Spillbricka

Figur 14. Lösningsalternativ för spillbricka.

Spillbrickan består av två komponenter som illustreras i Figur 14. Komponenterna beskrivs som följande, en hållare som själva spillskivan monteras på för att även sättas fast på termosens fot. Hållaren sätts fast på termosens fot genom att använda magnet på undersidan. Magnetförbandet gör det lätt för användaren att demontera spillbrickan vid rengöring. Kan göras för hand för att undvika verktyg eller liknande vilket gör underhåll enkelt. Själva spillskivan kommer fogas fast på hållaren genom en greppassning vilket även här tillåter att parterna kan demonteras vid behov. Eftersom spalterna med tiden kunde medföra missfärgningar eller kalkbildning på grund av kaffet, blev det viktigt att möjligheten för rengöring fanns. Spillskivan är försedd med hål för kaffet att rinna ned i. Under spillskivan finns en samlingsbox för kaffet att ta vägen. Boxen samlar kaffet för att förhindra kaffet från att smutsa ner. På så sätt kan termosen hållas ren och fräsch. Boxen är en del av hållaren för att minimera antal detaljer i konstruktionen. Därav blir det enkelt att demontera för att rengöra från spill.

4.6.6 Handtag

Handtaget är formad för att enkelt kunna monteras på termosen. Förbandet monteras med hjälp av materialets elastiska deformation genom en snäppfunktion. Handtaget är formad med fasning för att både underlätta tillverkningen och göra handtaget bekväm för användaren.

För att kontrollera att handtaget tål viktlasten den utsätts för simulerades även denna. Simuleringen beskrevs av ett extremfall av lasten verkande på handtaget. Lasten antogs till vara en tyngdlast med avseende på egenvikten. Egenvikten sattes till 20 kg som extremfall vilket speglas i en kraft på cirka 200 N.

(a) (b)

Figur 15. FEM Simulering av handtag. (a) visar förskjutningen som uppstår på handtaget på grund av utsatt last och (b) visar spänningar i handtaget.

Utifrån Figur 15 kan det utläsas att handtaget har en låg deformation vilket tyder på att materialet och geometrin som handtaget är formad utav var tillräcklig hållfast. Kan alltså även här göras i samma ABS-plast som vid resterande höljekonstruktion.

4.6.7 Lock

Figur 16._{​ Lösningsalternativ för lock.}

På grund av tankens öppning till lock, konstruerades storleken på locket att vara liten fast tillräcklig för att kunna hälla i kaffet, se Figur 16. Detta med anledningen till att minimera värmeförlusterna och fortfarande uppfylla funktionen att kunna fylla tanken. Värmen i tanken stiger och därav blev överdelen av termosens isolerande effekt viktigt.

Den konformade geometrin på locket minskar även kaffespill, sådan att själva hålet på termosen kunde hållas mindre och kaffet hindrades från att spilla ned. Formen ledde till att lockets funktion uppfylls samtidigt som termosen kan hållas fräsch.

4.6.8 Stativ

Stativet har som funktion att hålla uppe termosen sådan att användare kan ställa kopp under tappkranen. Är alltså länken mellan termosens fot och kropp som fogas ihop genom snäppfunktion. Materialet hålls samma som den nuvarande termosen vilket var av ABS-plast. Av den anledningen innehar formen släppvinklar för att ge möjlighet för formsprutning av plast.

(a) (b)

Figur 17. FEM Simulering av stativ. (a) visar förskjutningen som uppstår på stativet på grund av utsatt last och (b) visar spänningar i stativet.

5 Diskussion

Kapitel innehåller en reflektion över resultat samt arbetssättet som utförts i projektet.

5.1 Metodik

Metodiken som implementerades för att genomföra projektet ansågs användbara och tillräckliga för att uppnå målet. Nulägesanalysen skapade en bild över termosens befinnande läge vilket satte grund för arbetet. Produktspecifikationen skapade klarhet av vad termosen ska uppfylla och blev ett värdefullt verktyg att nyttja. Konceptgenereringen skapade ett underlag av olika lösningsalternativ vilket sedan med metodik sållades bort i konceptvalet. Därmed erhölls tillräcklig arbete för nästkommande vidareutveckling fas. Processen strukturerade ett aktivitetsflöde att arbeta mot som hela tiden byggde på varandra, därav användbara verktyg att nyttja som skapade systematik för att uppnå resultat.

5.2 Reflektion över resultat

Rördiametern valdes till standardiserade tummått av den anledningen att det fanns ett större utbud av standardiserade kopplingar tillhörande mått i tum. Diametern valdes även att vara tillräcklig för att tanken ska vara volymeffektiv samtidigt som röret tilläts att bockas. Bockningsradier var av heltalsmått för att även här använda standardiserade bockverktyg. För liten diameter kan även resultera i att termosen inte kan fyllas på tillräckligt snabbt med nytt kaffe, utan luften hinner inte föda ut ur termos och bildar en kaffesamling vid locket.

Spiralformen kunde tillverkas på ett flertal olika sätt. Ett sätt var genom rullbockning som tidigare beskrivs. Ett alternativ till rullbockning var att röret lindas runt ett roterande verktyg likt en svarv. Det finns alltså fler alternativ som metod vilket gjorde att rullbockningen inte är en begränsning tillverkningsmässigt, utan är ett förslag till alternativet som ansågs lämpligast.

upp tanken och på grund av att värmens riktning i termosen stiger uppåt, kommer kaffet längst ned i termosen bli kallare än resterande och det blir en temperaturgradient i termosen. För att undvika temperaturgradient kunde termosen förvärmas i form av förspolning innan kaffet hälldes i. På så sätt blir inte temperaturförlusten lika extrem, dock blir processen omständlig och synen på kvalitet försämras.

På grund av spiralformens volymineffektivitet ökade också tankens massa. Tanken resulterade till att väga cirka 6 kg för att rymma 2.5 liter vilket upplevdes vara högt i relation till att vara en termos. Massan var enbart tanken tom, adderas termosens resterande komponenter och tanken fylls med kaffe kommer massan uppnå en gräns som ej tilltalar användarvänligheten.

Vid beräkning av nödvändig isoleringstjocklek gjordes approximationer vid framtagandet. Den yttre-spiralen ansågs som den kritiska och därav valdes den att räknas på. Geometrin ansågs som en lång cylinder för att räkna ut värmeförlusten till vilken tjocklek av isolering blev nödvändig. Fallet var ett extremfall på grund av den inre-spiralen värmer upp samtidigt som yttre-spiralens olika varv var i kontakt med varandra, det vill säga ledningsytorna som antogs vid beräkning av lämplig isoleringstjocklek var över verklig dimension. Resultatet gav att nödvändig isoleringstjocklek var 2 cm vilket blev volymkrävande. Isoleringen resulterade i en ökad termosdiameter på 4 cm vilket var en volymuppoffring som blev nödvändig för att erhålla önskad isoleringseffekt. Den ökade termosdiametern ansågs inte till att vara extrem utan var av rimlig gräns, dock mer volymkrävande än cylindrisk tank. Bakomliggande anledning var att spiraltankens ledningsytor var betydligt större än vid cylinderformad tank och krävde till följd en tjockare isolering för att behålla värmen i termosen.

Kostnadsmässigt var spiraltanken materialmässigt hög. Ur Bilaga 1 erhålls att en rörlängd på minst 6 meter blev nödvändigt. Kostnadsmässigt var priset kring 100 kronor metern enligt Calamo vilket menade på att enbart materialet enskilt blev materialkrävande och kostnadsineffektivt.

En design av ren plast ansågs inte åtråvärt bland kunder. Befintlig Hipster termos som fanns på marknaden hade termosens kropp bestående av ABS-plast vilket 3TEMP ej ansåg sända ut kvalitet/estetik-signaler. Termosen skulle symbolisera kvalitet samt exklusivitet och därav ändrades kroppmaterialet. Det alternativa materialet till plasten blev austenitiskt rostfritt stål AISI 205 vilket ur ett estetiskt perspektiv tilltalade marknaden bättre. Metallytan gav en industrilook som bidrog med en förhöjd kvalitet. Samma argument gällde spillbrickan av anledningen att den också sticker ut utseendemässigt. Spillbrickan valdes till att använda samma material som termosens kropp fast i perforerad form för att underlätta logistiken. Sådan att antal materialleverantörer minimeras vilket underlättar för företaget.

Termosens design är enkel och entydig. Kunder på marknaden skulle ha möjligheten att sätta egen logotyp på termosen för att knyta den till verksamheten. Detta har gjorts genom att skapa plats och möjlighet för vilken logotyp som helst att sättas på ytan bakom skärmen på framsida av termos. Till följd fyller inte bara termosen huvudfunktionen utan lever upp till ett större segment av förväntningar för kund vilket bidrar med en ökad kvalitet.

Tomlinson tappkran som ersätter den befintliga kranen på Hipstern är enklare genom att funktionen är tydlig. Kunden kan simpelt använda termosen för att fylla på kaffe utan att oroas för bränna. Termosens centrala huvudfunktion var att lagra och förse kaffe ned i kopp, något den nya versionen av Hipster termos uppfyller bättre på grund av enkel och entydig design. Gällande logistiken var Tomlinson tappkran enkel tillgänglig på marknaden vilket bidrog till lägre leveranstider av komponenter att konstruera termosen av. Tilläggningsvis fanns även en variant av Tomlinson tappkran som innehade en säkring som hindrade handtaget från att tryckas vilket förhindrar oavsiktlig eller oönskad dosering.

Konstruktionen är formad för att minimera antal tillhörande komponenter. Det skulle vara enkelt att montera/demontera termosen där lösningen var entydig, det vill säga fanns bara ett sätt att montera ihop vilket lösningen var uppenbar för vem som helst att utföra. Snäppfunktioner nyttjades för att skapa en lösbar sammanfogning av element. Därav blev inga verktyg nödvändiga utan kunde utföras enskild förhand. Magnetförbandet vid spillbrickan medföljde också en effektivare montering/demontering än befintlig lösning vilket gynnar användaren av anledningen att spillbrickan rengörs vid daglig basis efter varje brukning.

Alternativ för att ersätta den befintliga ABS-plasten studerades. Material som PET-plast ansågs också vara lämpligt med avseende på lägre pris och högre styvhet. Båda materialen gav möjligheten att bearbetas på ett flertal olika sätt, allt från formsprutning till extrudering. PET-plasten gav dock inte upphov till en förhöjd kvalitet eftersom ABS-plasten ansågs mer estetisk tilltalande. Det befintliga materialet ansågs redan uppfylla funktionen att nyttjas som skal för termosen och byta material ansågs inte lönsamt på grund av förändrad logistik.

FEM simuleringarna gav utfall med opåverkbara låga deformationer. Anledningen ansågs bero på termosens geometri. Den cylindriska formen var tunnväggig samtidigt som radien var relativ bred, två gynnsamma parametrar som var till fördel gällande konstruktioner som utsätts för trycklast. Trycklasterna togs även upp genom skivverkan som också gynnar konstruktionen. Av ovanstående anledningar ansågs FEM simuleringarna vara korrekta med avseende på låg belastningsfall och fördelaktiga formade geometrier.

5.3 Framtida arbete

Spiralformen innehade märkbara faktorer som inte var till fördel gällande termosens funktion. Spiraltanken hade en ökad förlust i form av värme och hade en ökad tyngd. Termosen blev volymkrävande och det kvarstår arbete i att undersöka alternativa tillverkningssätt som möjligtvis gynnar företaget och termosen.

6 Slutsats

Tillkännagivande

Ett stort tack riktas till projektgivaren Peter Larsson på 3TEMP för tiden, tillgänglighet och vägledning som gjort projektet möjligt. Även samtliga på Calamo som hjälpt till med rådgivning av lösningsalternativ.

Ytterligare ett tack till handledaren Abdulbaset Mussa på Karlstads Universitet för ett stort engagemang med stödjande hjälp och vägledning genom projektet.

Referenslista

[1] 3Temp. Thermos 2.5l [internet]. 3Temp; u.å. [citerad 2020-01-22]. Hämtad från https://3temp.com/product/thermos-2-5l/

[2] Löfbergs. Så brygger du riktigt gott kaffe! [internet]. Löfbergs; u.å. [citerad 2020-01-24]. Hämtad från _{​https://www.lofbergs.se/inspiration/brygga-gott-kaffe/​}

[3] Löfbergs. Svensk innovation säkerställer smaken påkaffe [internet]. Anders Thorén; 2018 [citerad 2020-01-24]. Hämtad från

https://www.lofbergs.se/nyheter/svensk-innovation-sakerstaller-smaken-pa-kaffe/

[4] Cengel A, Ghajar J, Heat and Mass Transfer. Fundamentals & Applications. 5. uppl. New York: McGraw-Hills Education; 2015.

[5] Kosmač A. Elektropolering av rostfria stål [internet]. Diamant Building: Euro Inox; 2009. [citerad 2020-02-02]. Hämtad från

http://www.worldstainless.org/Files/issf/non-image-files/PDF/Euro_Inox/Electropolis hing_SW.pdf

[6] Johannesson H, Persson J.G, Pettersson D. Produkt Utveckling. Effektiva metoder för konstruktion och design. 2. uppl. Stockholm: Liber; 2013.

[7] Calamo. Vi kan betning, elektropolering och ytbehandling [internet]. Calamo; u.å. [citerad 2020-01-27]. Hämtad från _{​https://calamo.se/}

[8] Tomlinson. OEM Components [internet]. Tomlinson; 2017 [citerad 2020-01-27]. Hämtad från _{​http://www.tomlinsonind.com/Category/?Category=OEM%20Components}

[9] Jarfors, A, Carlsson T, Eliasson A, Keife H, Nicolescu C, Rundqvist B, Sandberg B. Tillverkningsteknologi.​ 3. uppl. Lund: Studentlitteratur; 2010.

[10] Calamo. Calamo-katalog [internet]. Calamo; u.å. [citerad 2020-01-27]. Hämtad från https://calamo.se/0986741_wp-uploads/2019/06/Calamo-katalog-190524-SV.pdf

[12] Kingspan. Underneath the Microscope [internet]. Kingspan insulation middle east; 2016. [citerad 2020-02-03]. Hämtad från

https://www.kingspan.com/meati/en-in/product-groups/ductwork/knowledge-base/wh ite-papers-technical-bulletins/closed-cell-vs-open-cell-phenolic-insulation

[13] Outokumpu. Outokumpu data sheet template [internet]. Outokumpu; u.å. [citerad 2020-02-05]. Hämtad från

Bilaga 1

Bilaga 2