Femke van de Ven - Geoptimaliseerde flessenopener

Om een flessenopener te optimaliseren wordt onderstaand stappenplan twee maal doorlopen.

1. Ontwerpen
2. Vrije Lichaams Schets opstellen
3. 3D printen
4. Print testen
5. Test analyseren
6. FEM-analyse
7. Topology study

Algemene instellingen

Printer

De flessenopener zal bestaan uit nGen. Deze materiaalkeuze is gebaseerd op de beschikbaarheid van het printfillement op school.

De openers zullen geprint worden met onderstaande standaard printinstellingen:
Nozzle = 235 graden Celcius
Bed = 85 graden Celcius
Speed = 60 mm/s
Layerheight = 0,2 mm
Infill = 20%
Shell = 0,8

Bij ieder ontwerp zal de uiteindelijke massa geschreven worden in plaats van de massa volgens Cura. Het is namelijk mogelijk dat deze nog net wat afwijkt van de werkelijkheid.

Flessenopener 1

Ontwerp

Dit ontwerp is met opzet erg breed en hoekig gemaakt, zodat er in de vervolgstappen veel geoptimaliseerd kan worden.

Zijaanzicht

Ingezoomd voorkant

Testen

Het ontwerp heeft een massa van 24 gram.

Uit bovenstaande video is op te merken dat het ontwerp van de flessenopener niet goed is. Het haakje is namelijk te klein en blijft niet goed achter de dop hangen. Hierdoor kan deze flessenopener geen doppen van een flesje halen.

Flessenopener 2

Ontwerp

Aangezien uit de test van flessenopener 1 blijkt dat de opener niet goed aangrijpt, is het aangrijpingspunt aangepast. Zodat er meer ruimte is voor de flessenopener om aan te grijpen op de dop.
Om toch wat materiaal te besparen is de voorkant van de flessenopener afgerond.

Zijaanzicht

Ingezoomd voorkant

Vrije Lichaams Schets

Vanuit de VLS wordt bepaald met welke kracht P de flessenopener een flesje kan openen. Tijdens het testen is het van belang dat de uitkomst een groter getal is dan de P.

Naar aanleiding van bovenstaande VLS blijkt er voor het openen van een flesje een minimaal benodigde kracht van 13,10 Newton nodig is.

Testen

Het ontwerp heeft een massa van 18 gram.

Plastische vervorming

Uit de test blijkt dat de flessenopener een maximale kracht van 48,4 Newton aan kan.

Naar aanleiding van bovenstaande berekening en de test is af te leiden dat de flessenopener sterk genoeg is om daadwerkelijk een flesje te openen.

Algemene instellingen

FEM-analyse

Wanneer een materiaal geprint wordt zijn de materiaaleigenschappen ongetwijfeld anders, dan wanneer het één solid blok is. Daarom worden de parameters voor nGen gebasseerd op een onderzoek van Ritchie (Fontys Hogeschool, 2022). Waaruit onderstaande parameters volgen:
Young’s Modulus = 0,5 GPa
Poisson’s Ratio = 0,40
Shear Modulus = 0,17 GPa
Density = 109 kg/m3
Yield Strength = 4 MPa

Plaatsing fixtures

De FEM-analyse is opgebouwd uit twee fixtures en één kracht.
De kracht is bepaald naar aan leiding van de minimaal benodigde kracht P volgens de VLS inclusief een veiligheidsfactor. In de berekening wordt er rekening gehouden met een veiligheidsfactor zodat de flessenopener zeker sterk genoeg is.
Fixture 1 is geplaatst om na te bootsen dat de flessenopener steunt op de dop van de fles.
Verder is links onderin ook fixture 2 geplaatst. Met deze fixture wordt er nagebootst dat de flessenopener achter de dop van de fles blijft haken.

Flessenopener 2

FEM-analyse

Verplaatsing [mm]

Stress [N/mm^2]

Zoals verwacht heeft de flessenopener rechts bovenin de grootste verplaatsing, namelijk 6,861 mm.

Daarnaast blijkt uit de FEM-analyse dat wanneer er een veiligheidsfactor van 1,75 genomen wordt, dat er plastische vervorming zal plaatsvinden. Deze conclusie is te trekken omdat de maximale stress (213 MPa) die voorkomt in de flessenopener groter is dan de yield strength (4 MPa).

Ondanks dat er uit de test blijkt dat flessenopener 2 de benodigde kracht om een flesje te openen aan kan. Zal de flessenopener in de volgende stap toch sterker gemaakt worden. Volgens de FEM-analyse treedt er te vroeg plastische vervorming op, waardoor de flessenopener niet herbruikbaar zou zijn. Daarnaast was het bij het testen niet mogelijk om digitaal de grafiek te ontvangen, waardoor het niet duidelijk is bij welke kracht er tijdens de test plastische vervorming optreedt.

Flessenopener 3

Ontwerp

Zijaanzicht

Ingezoomd voorkant

Het ontwerp is op twee plekken verstevigd:
1. Bij het rode gedeelte (aangrijpingspunt met de dop) in de FEM-analyse, zodat de spanningen verdeeld worden over een groter oppervlak.
2. De dikte van het handvat was bij flessenopener 2 15 mm en is nu 22 mm. Hierdoor is er minder deformatie waardoor de flessenopener er minder snel afschuift.

FEM-analyse

Bij flessenopener 2 werd er te laat de conclusie getrokken dat de flessenopener niet sterk genoeg was. Daarom zal er in de komende stappen eerst een FEM-analyse uitgevoerd worden voordat de flessenopener wordt geprint.

Omdat de maten met betrekking tot de aangrijpingspunten niet veranderd zijn, hoeft er geen nieuwe krachtenberekening gemaakt te worden. En zullen er dezelfde instellingen gebruikt worden als aangegeven bij de algemene instellingen.

Verplaatsing [mm]

Stress [N/mm^2]

De flessenopener had een verplaatsing van 6,861 mm en heeft nu een verplaatsing van 2,662 mm.

Daarnaast blijkt uit de FEM-analyse dat wanneer er een veiligheidsfactor van 1,75 genomen wordt, er geen plastische vervorming zal plaatsvinden. Deze conclusie is te trekken omdat de maximale stress (3,82 MPa) die voorkomt in de flessenopener kleiner is dan de yield strength (4 MPa).

Testen

Bij de FEM-analyse traden de grootste spanningen op bij het aangrijpingspunt. Daarom is de verwachting dat de flessenopener bij de test zal breken bij het aangrijpingspunt.

Het ontwerp heeft een massa van 24 gram.

Breuk

Zijaanzicht

Uit de test blijkt dat de flessenopener een maximale kracht van 84,1 Newton aan kan.

Naar aanleiding van de vrije lichaams schets en de test is af te leiden dat de flessenopener daarom sterk genoeg is om daadwerkelijk een flesje te openen.
Daarnaast klopt de verwachting. Dit betekent dat er met name geoptimaliseerd kan worden in het handvat.

Topology study

Aan de hand van een topology study maakt Solidworks voorstellen waar eventueel materiaal weggehaald kan worden.

Naast dezelfde standaard instellingen als die voor de FEM-analyse gebruikt worden, zijn onderstaande extra’s toegevoegd voor de topology study:
- Symmetry control > Vanwege het feit dat de flessenopener symmetrisch is wordt deze instelling gebruikt. Op deze manier heeft Solidworks net wat minder moeite om de study te runnen.
- Thickness control > Zodat er overal een minimale wanddikte blijft en de wanden niet te dun worden.
- Best Stiffness to Weight ratio > Dit is een standaard instelling, waarmee de topology study probeert de beste verhouding te vinden tussen de stijfheid en het gewicht.

Vooraanzicht

Zijaanzicht

Achteraanzicht

De blauwe vlekken zijn de punten waar volgens de topology study materiaal weggehaald kan worden.

Flessenopener 4

Ontwerp

Ten opzichte van flessenopener 3 is er bij flessenopener 4 enkel materiaal weggehaald.

Aan de hand van de topology study bleek dat er aan het einde van het handvat materiaal weggehaald zou moeten kunnen worden. Ook bleek er aan de hand van de test dat er materiaal weggehaald zou moeten kunnen worden in het handvat.

Met deze informatie is flessenopener 4 ontstaan.

Zijaanzicht

Ingezoomd voorkant

FEM-analyse

Net zoals bij flessenopener 3 zal er eerst een FEM-analyse uitgevoerd worden voordat de flessenopener wordt geprint.

Omdat de maten met betrekking tot de aangrijpingspunten niet veranderd zijn, hoeft er geen nieuwe krachtenberekening gemaakt te worden. En zullen er dezelfde instellingen gebruikt worden als aangegeven bij de algemene instellingen.

Verplaatsing [mm]

Stress [N/mm^2]

De flessenopener had een verplaatsing van 2,662 mm en heeft nu een verplaatsing van 3,457 mm.

Daarnaast blijkt uit de FEM-analyse dat wanneer er een veiligheidsfactor van 1,75 genomen wordt, dat er geen plastische vervorming zal plaatsvinden. Deze conclusie is te trekken omdat de maximale stress (3,84 MPa) die voorkomt in de flessenopener kleiner is dan de yield strength (4 MPa).

Testen

Bij de FEM-analyse traden de grootste spanningen op bij het aangrijpingspunt. Daarom is de verwachting dat de flessenopener bij de test zal breken bij het aangrijpingspunt.

Het ontwerp heeft een massa van 17 gram.

Scheurlijn

Zijaanzicht

Uit de test blijkt dat de flessenopener een maximale kracht van 22,8 Newton aan kan.

Naar aanleiding van de vrije lichaams schets en de test is af te leiden dat de flessenopener daarom sterk genoeg is om daadwerkelijk een flesje te openen.

Zoals te zien is in de video van de test, vindt er eerst inwendige plastische vervorming plaats. Waarna vervolgens de flessenopener scheurt zoals te zien is op de afbeelding rechtsbovenin en daarna van de dop afspringt.

Daarnaast klopt de verwachting. Dit betekent dat er nog eens voornamelijk in het handvat geoptimaliseerd kan worden.

Topology study

Voor de topology study worden dezelfde instellingen gebruikt worden als bij flessenopener 3.

Vooraanzicht

Zijaanzicht

Achteraanzicht

De blauwe vlekken zijn de punten waar volgens de topology study materiaal weggehaald kan worden.

Vanwege het feit dat de topology study vrij weinig materiaal wegneemt, zal er nog een topology study uitgevoerd worden. Hierbij wordt er één instelling veranderd in de hoop dat er een beter voorstel gedaan wordt voor de optimalisatie.

Hiervoor wordt er in plaats van de Best Stiffness to Weight ratio gerekend met reduce mass bij 30%. Dit maakt dat de study sowieso een hoop materiaal wegneemt, maar dat er zelf nog gekeken moet worden of het voorstel ook wel sterk genoeg is.

Vooraanzicht

Zijaanzicht

Achteraanzicht

De blauwe vlekken zijn de punten waar volgens de topology study materiaal weggehaald kan worden.

Flessenopener 5

Ontwerp

Ten opzichte van flessenopener 4 is er bij flessenopener 5 enkel materiaal weggehaald.

Aan de hand van de topology study bleek dat er voorin het handvat en aan de randen van de flessenopener materiaal weggehaald zou moeten kunnen worden. Ook bleek er aan de hand van de test dat er materiaal weggehaald zou moeten kunnen worden in het handvat.

Met deze informatie is flessenopener 5 ontstaan.

Zijaanzicht

Ingezoomd voorkant

FEM-analyse

Net zoals bij flessenopener 3 en 4 zal er eerst een FEM-analyse uitgevoerd worden voordat de flessenopener wordt geprint.

Omdat de maten met betrekking tot de aangrijpingspunten niet veranderd zijn, hoeft er geen nieuwe krachtenberekening gemaakt te worden. En zullen er dezelfde instellingen gebruikt worden als aangegeven bij de algemene instellingen.

Verplaatsing [mm]

Stress [N/mm^2]

De flessenopener had een verplaatsing van 3,457 mm en heeft nu een verplaatsing van 3,230 mm. Het is vreemd dat er enkel materiaal weg gehaald is en dat er toch minder verplaatsing plaats vindt. De enige reden hoe dit te verklaren is, is dat er bij flessenopener 4 geen fillet op dat punt zat en nu wel. Dus het uiterste punt is iets meer naar binnen gekomen.

Daarnaast blijkt uit de FEM-analyse dat wanneer er een veiligheidsfactor van 1,75 genomen wordt, dat er geen plastische vervorming zal plaatsvinden. Deze conclusie is te trekken omdat de maximale stress (3,94 MPa) die voorkomt in de flessenopener kleiner is dan de yield strength (4 MPa).

Testen

Bij de FEM-analyse traden de grootste spanningen op bij het aangrijpingspunt. Daarom is de verwachting dat de flessenopener bij de test zal breken bij het aangrijpingspunt.

Het ontwerp heeft een massa van 26 gram.

Breuk

Zijaanzicht

Zoals te zien is in de video van de test, bijt de flessenopener zich eerst helemaal in de dop. Waarna vervolgens de flessenopener scheurt en daarna van de dop afspringt.

Uit de test blijkt dat de flessenopener een maximale kracht van 84,0 Newton aan kan.
Naar aanleiding van de vrije lichaams schets en de test is af te leiden dat de flessenopener daarom sterk genoeg is om daadwerkelijk een flesje te openen.

Tot slot is de geoptimaliseerde flessenopener ook op een echt flesje getest. Zoals in onderstaande video te zien is werkt de opener en vindt er geen plastische vervorming plaats.

Resultaat

Tabel resultaat

Uit bovenstaande tabel zijn twee opmerkelijke dingen waar te nemen, welke beide gemarkeerd zijn.

Volgens de test is flessenopener 4 een stuk minder sterk dan flessenopener 5. Terwijl dit volgens de FEM-analyse nou juist niet het geval is. Ondanks dat er met exact dezelfde printinstellingen geprint is, is de verwachting dat de fout te maken heeft met de printer.

Verder is flessenopener 5 zwaarder dan 4, ondanks dat er in Solidworks enkel materiaal is weggehaald. De verwachting is dat dit komt omdat er twee kleine gaten bij zijn gekomen. Bij flessenopener 4 bestonden deze volumes uit infills van 20%. Terwijl er bij flessenopener 5 extra wanden zijn gekomen, welke meer materiaal gebruiken dan infills.

Verbeterpunten

1. Ergonomie - De flessenopener ligt niet ontzettend fijn in de hand. Het was beter geweest als hier even kort aandacht aan besteed werd.
2. Betrouwbaarheid - Aangezien de verwachting is dat bij het printen van de vierde flessenopener iets mis is gegaan, zou het beter zijn geweest als deze flessenopener nog eens geprint werd. Waardoor de betrouwbaarheid van de test verhoogd werd.
3. Design - Tijdens het ontwerpen van de flessenopener is er weinig rekening gehouden met het uiterlijk van de opener. Voor de volgende keer zou het beter zijn als er naast de optimalisatie ook kort de aandacht ligt op de vormgeving.

Bronnen

Fontys Hogeschool. (2022, November 16). TOPO FDM Material Properties for FAE Analyses (1). Canvas. Retrieved November 20, 2022, from https://engine.surfconext.nl/authentication/idp/single-sign-on/

Force Guy. (2019, March 4). How much force it takes to open a beer bottle [Video]. YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=ut_lZWhz2LU