Technical Product Optimalisation

17
Winand van Hasselt 4302796 Martijn Stolk 4304640

description

Specified for a planter

Transcript of Technical Product Optimalisation

Winand van Hasselt 4302796

Martijn Stolk4304640

Introduction

Het doel van dit project is het verbeteren van een bestaand product, in ons een geval een balkonpot. Om dit te bereiken zijn we gestart met het maken van eerste analyses voor zowel de structurele integriteit , alsmede het optimaliseren van de productie. Met de hulp van CES en Solid Works hebben een goedkoper en beter designed product gemaakt. Dit proces vergde continuee veranderingen in onze berekeningen, schetsen en design. Tijdens de optimalisatie hebben we herhaaldelijk aspecten zoals materiaal, berekeningen van verschillende onderdelen etc veranderd. Dit is allemaal gedocumenteerd in dit verslag. Het resultaat is een balkon pot die in onze mening efficienter dan degene waarmee we gestart zijn. Veel leesplezier;)

Optimising overall strength and stiffness of the product during use

We zijn gestart met het opzoeken van hoofdafmetingen van de plantenbak in Solidworks. Hier kwam uit:

!

Normaal gebruik Er zijn meerdere manieren hoe de plantenbak gevuld kan worden. Onze aanname is dat bij normaal gebruik de gebruiker 3 evengrote potten (met plant) in de plantenbak doet. De diameter van de onderkant van deze potten is net zo breed als de onderkant van de bak (zonder rondingen).

Max oppervlakte onderkant van pot = Pi*4,865^2 = 74,36 cm^2 Max oppervlakte bovenkant van pot = Pi *9,65^2 = 292,55 cm^2

Solidworks geeft ons de Inhoud van de pot: 3772 kubieke centimeter Op internet is de dichtheid van bemeste tuinaarde te vinden: 600 kg/m^3. Het gewicht per pot wordt hierdoor = 600*0,003372 = 2,02 KG. Aangezien we 3 potten in de balkonpot hebben wordt het totaalgewicht 6,07 KG, in Newton 59,54. Omdat de grond veel water kan opnemen en er een zware plant in kan zitten nemen we een veiligheidsfactor van 2 dus wordt de totaal te weerstane kracht 120 Newton. De bodem van het ontwerp moeten dus een weerstand kunnen bieden tegen deze verdeelde belasting van 120 kilo over een oppervlak van 223,08 cm^2 zonder falen of meer te vervormen dan 2 mm. De twee hangers waaraan de pot op het balkon hangt moeten bij dit normale gebruik maximaal 3 mm rekken.

Extreme Use Voor extreem gebruik hebben we meerdere situaties bekeken. Het zou kunnen dat het gewicht zich verplaatst naar 1 kant van de bak. Of iemand die bijvoorbeeld met zijn voet op de bak staat, waardoor een flink aantal kilo’s zich op 2 of 3 punten van de bovenkant concentreert. Omdat dit toch wel onwaarschijnlijke situaties nemen we aan dat de koper dit in zo’n geval als eigen risico ziet. Wat we wel willen is dat de bak gevuld kan worden met iedere (plant-bestemde) inhoud en zich hiertegen kan verweren. Daarom gaan we uit van een compleet gevulde bak met grind. We benaderen de complete inhoud van de bak. De lengte is 600mm. Voor de totale inhoud beschouwen we de bak even als een kubusvormig object. Hieruit volgt: 60 cm* 19,3 cm* 22 cm = 25476 cm^3. De dichtheid van bemeste grind (het zwaarste potgrond product) is 1480 kg/m^3. Dit brengt het totale gewicht op 37,7kg wat 370 Newton is. De structuur moet dus een weerstand van 370 Newton kunnen bieden verdeeld over de 3 circels op de bodem van de balkonpot zonder verder te vervormen dan 5 mm.

Breedte bodem: 97,30 mm Breedte bovenkant: 193 mm

Hoogte bak: 220 mm

Other requirements

Naast het weerstaan van het gebruik moet de balcony hanger aan een aantal andere eisen voldoen. Het doel is namelijk om het product niet alleen technisch maar ook financieel zo gungstig mogelijk te maken. De voorwaarden op andere gebieden dan de technische zijn:

Het product mag niet voor meer dan 9,99 euro verkocht worden. Daarbij, uitgaande van een kostprijs van 30%, mogen de productie kosten per product niet meer dan 3.00 euro bedragen. Daarbij, uitgaande van vervoerskosten van 5%, mogen de vervoerskosten niet meer dan 0.50 euro per product bedragen

Kosten van het vervoer moeten zo laag mogelijk blijven door het product in zichzelf te laten passen, zodat veel producten in relatief weinig kubieke meter passen. Verder moet het product in een oplage van 100000/ jaar geproduceerd worden op een enkele mal. We willen dat het product tenminste 5 seizoen meegaat en weerstand bied tegen extreme weersomstandigheden zoals hitte, kou, regen, hagel en storm. Hiervoor is niet alleen de constructie maar ook het materiaal van groot belang

Na stap 6 zullen we terugkoppelen naar deze voorwaarden en die van de stap hiervoor om vast te stellen wat er eventueel verbeterd kan worden ten op zichtte hiervan of welke voorwaarden misschien juist strakker gesteld kunnen worden.

Overall shape

De balcony hanger is een product dat volledig bestaat uit één spuitgegoten stuk plastic en wordt voor gebruik opgehangen aan de rand van een balkon met behulp van de haken aan de bovenwand. Tijdens het gebruik zal het gewicht van de potten in de bak kracht uitoefenen op de twee haken en de achterwand van de bak die tegen het balkon hangt. Kritieke punten op het product zullen dan de haken zijn waar de pot aan opgehangen wordt en mogelijk de bodem, afhankelijke van de verdeling van de belasting.

Stess Analyses

Om te onderzoeken of het product sterk genoeg is voor de kracht die we er op willen laten uitoefenen, hebben we zowel in solidworks gewerkt als handmatig de berekeningen uitgevoerd.

Handberekeningen

Aangezien het product in vooraanzicht symetrisch is, en onze belasting bij normaal gebruik en extreem gebruik ook symmetrisch verdeeld is, levert dit geen kritieke situaties op die onderzocht moeten worden. Hetgeen wat wel belangrijk is is het zijaanzicht van de pot.

Een probleem bij het opstellen van een fbd van het geheel, zijn de haken van de pot. De kracht die hier op uitgeoefend wordt is namelijk afhankelijk van de vorm en grootte van de balkonrand. Als de balkonrand even groot is als de haak zal deze een verdeelde belasting (in diezelfde ronding) uitoefenen op de haak.

Maar we nemen aan dat de haak meestal op 1 punt een kracht krijgt uitgeoefend. We nemen verder aan dat de haken werken als een draaipunt. Er is daar dus geen moment, enkel x en y krachten. Verder zal de bak altijd tegen de het balkon zelf aanleunen, dus oefent het balkon ook een kracht uit op de bak (zie fbd links).

De linkerkant van de bak oefent weinig krachten uit, behalve dat het de aarde tegenhoud. Daarom versimpelen we de situatie. We nemen aan dat de onderkant ingeklemd is door de rechter zijkant, en links vrij kan bewegen. We zien voor onze eerste berekening de balkonpot als 3 balken die aan elkaar vast zitten. De rechterbalk is degene die aan de balkonrand hangt. Omdat de haken rond zijn zal de pot aan de bovenkant altijd een beetje loskomen van de rand en de onderkant steunt er tegenaan. (zie rechter afbeelding op de pagina).

De reactiekrachten die hieruit volgen zijn:

Fg = Eigen gewicht + inhoud = 0,85*9,81 + 120 = 128N ∑Ma=0 > 128*128=320*Fbalkon > Fbalkon = 51,2N Fbalkon = 51,2N Fxs = 51,2N Fg = 128N Fys = 128N

De belangrijkste kracht die de zijkant moet opvangen is rek. We hebben deze zowel voor normaal als extreem gebruik hieronder uitgerekent.

!

Dit valt ver onder wat wij als maximaal hebben toegewezen aan het begin van ons verslag.

∑Fx=0 > Fxs - Fbalkon = 0 > Fxs = Fbalkon

∑Fy=0 > Fys - Fg = 0 > Fys = Fg

∑Ma=0 > -Fbalkon*320 + Fg*128=0

Verder moet ook de onderkant sterk genoeg zijn om de potten te dragen. We zien de onderkant als een ingeklemde balk met een verdeelde belasting over het hele vlak (zie afbeelding rechts).

!

!

Ook dit is minder dan de randvoorwaarden die we aan het begin van het verslag hebben opgesteld. Daarbij komt ook nog eens dat we daar zijn uitgegaan van een fbd waarbij er geen ‘rand’ is die de pot (en daarmee ook de bodem) bij elkaar houdt. In het echt heeft de bodem niet een situatie waarbij hij ingeklemd is aan een kant, maar meer aan de twee kanten. Dit betekent dat de doorbuiging in het echt nog minder zal zijn.

Solidworks berekeningen We hebben in solidworks moeite gehad om een kracht op het midden van de haken laten werken, daarom hebben we ze ingeklemd na een extruded cut op de uiteindes. Het balkon wat een kracht uitoefent op de onderkant van de bak hebben we niet fixed maar als een roloplegging beschouwd.

! Duidelijk is te zien dat de haken het veruit het zwaarst te verduren hebben. Ook bij de strain komen deze twee naar voren. De ribben zijn een kritiek punt.

Hier links de displacement van de haak.

links de strain in de haak. Opvallend is dat deze kritiek is in de uiteindes van de ribben.

Omdat de dwarsdoorsnede van de haken een veel kleinere oppervlakte heeft dan die van de hele achterwand waren we hier ook in geinteresseerd wat de spanning en vervorming was. We hebben toen het horizontale stuk van de haken uitgeknipt en daar de belasting op toegepast. In het onderste plaatje van de twee is de vervorming te zien. Deze is echter met een factor 20 overdreven door solidworks.

Strain

De verlenging in de achterwand door het gewicht is 0.055 mm.

!

Detailling of manufacturing analysis

Na het optimaliseren van het product wordt er gekeken hoe het product kan worden spuitgegoten. Ook dit is in solidworks getest. Maar om te controleren of de uitslagen van die test kloppen hebben we eerst enkele handberekening gemaakt.

Stap 0 De cyclustijd benaderen we als de injectietijd+koeltijd. Na het koelen meot het product worden uitgestoten we nemen daarvoor een marge van 2 seconden aan bovenop de injectie- en koeltijd. Verdere aannames die we hebben gemaakt voor het berekenen zijn dat er gewerkt wordt met een injectiedruk van 100MPa, de injectie temperatuur 250 graden celsius is, de viscositeit van PP 150PaS is bij injectie temperatuur (http://repository.kulib.kyoto-u.ac.jp/dspace/bitstream/2433/47072/1/rpcjpnv49p011.pdf) en dat de gemiddelde dikte van het product 2mm is.

Voor de injectietijd komen we dan uit op 1.04 seconden en voor de koeltijd op 9.05 seconden. Dit geeft een totale cyclustijd van 12.09 seconden.

Berekening injectietijd:

!

Berekening koeltijd:

!

De balkonhanger bestaat verreweg voor het grootste gedeelte uit de bak. Deze heeft een vrij egale dikte. De twee hangers hebben een wat meer ingewikkelde vorm. De ribben van de hangers zijn dikker en dieper dan de rest van het product. Hier zal de koeltijd wat langer duren. Het product is symmetrisch en vanwege de dunnen en gelijkmatige vorm denken we dat het spuitgieten niet heel veel problemen moet opleveren. Het zou kunnen dat er vanwege de toch wel grote oppervlakte er 2 aanspuitpunten moeten zijn in plaats van 1. De enige plek waar sprake zou kunnen zijn van shrikmarks is bij de ribben omdat zich daar een behoorlijke verdikking voordoet ten op zichtte van de rest van het materiaal.

Uit de solidworks simulation kwam een injectietijd van 2.33 seconden en een koeltijd van 12.28 seconden. Uitgaande van diezelfde marge van 2 seconden voor het uitstoten geeft dit een totale cyclustijd van 16.61 seconden. Dit is een aanzienlijk verschil. Wat betreft dit injectietijd valt dit mogelijk te verklaren met het feit dat de dikte niet constant is over het hele product en er dus ook dunnere stukken zijn die zich moeizamer laten vullen. Voor de koeltijd geldt omgekeerd hetzelfde. Op sommige plekken, zoals de ribben, is het materiaal een stuk dikker en zal het dus langzamer afkoelen.

Verbeteringnen van het ontwerp zouden kunnen zijn het verdunnen van de ribben om shrinkmarks te verkomen. Dit gaat echter wel nadelig zijn voor de stijfheid van het materiaal. Verdunning van de dikke delen zou overigens wel voordelig voor de koeltijd maar weer nadelig voor het vullen.

Solidworks

We hebben solidworks gebruikt om het spuitgieten te simuleren en te vergelijken met de handberekeningen. De uitkomsten kwamen redelijk overeen. Te beginnen met de inspuittijd; onze berekeningen kwamen uit op ongeveer 1 seconde. In Solidworks komt hier 2,3 seconde uit. Dit is te wijten aan het feit dat we met de handberekeningen maar 1 wanddikte hebben genomen (van 2 mm) terwijl in solidworks deze varieerd. Doordat we maar 1 aanspuitpunt hebben gebruikt, duurt het wel lang voordat de hele bak volgespoten is. Dit is wellicht nog iets wat we moeten heroverwegen in onze itteratie.

Belangrijk is dat aan het eind van het vullen de temperatuur overal nog hoger is dan het stolpunt. Dit is te zien in de afbeelding ;oml. De temperatuur ligt in de gehele bak ver boven de 200 graden wat hoger is dan het stolpunt.

Het laatste belangrijke is de koeltijd. Deze hadden we voorspeld op 9 seconden. Ook dit duurt volgens solidworks wat langer (ook te wijden aan de verschillen in diktes). Goed te zien is waar de moeilijke punten zijn. De ribben zijn veel breder dan de rest en koelen daarom pas als laatste af, samen met de voorkant (bovenkant) van de plantenbak. Koeltijd kan dus bespaart worden door deze punten aan te pakken.

Iteration and evaluation

Bij het evalueren en optimaliseren van ons product zijn er meerdere aspecten die een rol spelen. We hebben er voor gekozen om de constructie, de sterkte van de pot als prioriteit te stellen.

De hele situatie hadden we versimpeld tot een rechte balk voor de bodem en een voor de zijkant. Daarbij hebben we echter de doorbuiging van de haken verwaarloosd. Aangezien de balcony hanger daaraan opgehangen wordt bekijken we de buiging nu wel. Voor de berekening beschouwen we het uiteinde van de haak als ingeklemd met een loodrechte belasting naar beneden. Dit geeft een buiging van respectievelijk 11 en 34 mm voor normaal en extreem gebruik.

!

!

Oorspronkelijk hebben voor deze buiging geen eis opgesteld maar ten opzichte van de grootte van de haak lijkt de buiging, zeker bij extreem gebruik, vrij groot. In onze berekening zou het misschien beter kloppen als de kracht in het midden van de haak zou aangrijpen. Aangezien de haak in het echt rond is en over een balk heen hangt.(plaatjes) In dat geval komen we respectievelijk op 1.45 en 4.48 mm doorbuiging uit. Dit is veel acceptabeler.

!

Als we terugkoppelen naar het begin willen we het product met 100000 per jaar op een enkele machine met 4500 uur per jaar operating time. Dit zou betekenen dat we een maximum cycle time van 16.2 seconden zouden mogen hebben voor het spuitgieten. Onze huidige cycle time zit daar met 16.61 seconden iets boven. Om hieronder te komen kunnen we de injectie tijd of de koeltijd naar beneden proberen te brengen. De injectie duurt veel korter dan de koeltijd dus zulen we hoofdzakelijk naar de koeltijd kijken. Deze kunnen we verkorten door de dikke stukken dunner te maken. Echter, hierbij willen we geen verlies in stijfheid van de pot. De dikste en meest kritieke punten bevinden zich in de ribben van de haak. Om deze sneller te laten koelen maken we ze dunner maar om geen stijfheid te verliezen plaatsen we een extra rib ertussen.

Om de injectietijd te verkorten is er overigens wel een vrij simpele oplossing die weinig extra kost; het aanspuiten op twee plekken. Bij het maken van de mal voor het spuitgieten zal dit geen noemenswaardige kosten met zich meebrengen.

Ook stond in de voorwaarden dat de productiekosten niet meer dan 3.00 euro per product mogen bedragen. Met de huidige productie zitten we daar net boven met 3.015 euro. (de kosten voor de mal +- 80000 euro, arbeid

25 euro/uur en materiaal 1.09 euro per product) De simpelste manier om de kosten te verlagen

wordt het verplaatsen van de productie naar lageloon landen. Er van uitgaande dat de kosten voor een arbeider in china zo’n 8euro per uur zijn brengt dit de de kosten per product omlaag met 0.765 euro per product, tot 2.25 euro per product. De balcony hangers zijn inelkaar te stapelen en dus makkelijk te vervoeren. Met de marge die we nu op de arbeidskosten hebben bespaard moet het zeer waarschijnlijk wel lukken om de extra transportkosten vanuit deze lageloonlanden te overbruggen.

!

Het spuitgieten van ons product hebben we op 2 verschillende manieren geoptimaliseerd. Doordat we maar 1 aanspuitpunt hadden duurde het vrij lang voordat de bak gevuld was. En een tweede probleem waren de ribben van de haken. Door de dikte duurde het lang voordat het materiaal afgekoeld was.

We hebben een tweede aanspuitpunt aan de voorkant van de bak geplaatst zodat hij sneller en gemakkelijker de hele mal kan vullen. Ook is er naast het feit dat er een rib toegevoegd is voor de stevigheid, de ribben versmald (van 3mm naar 2mm) zodat ze sneller afkoelen. De koeltijd is dan ook korter geworden wat de productiekosten omlaag brengt. Een eenmalige extra investering is het tweede aanspuitpunt wat aangesloten moet worden maar we nemen aan dat deze kosten op de lange duur zich terugwinnen in de verkorte koeltijd.