Cost optimization for wear resistant components

• Main Author: Ebeling, A. (Andreas)
• Format: Dissertation
• Language: English
• Published: University of Oulu 2013
• Subjects: Mechanical Engineering
• Online Access: http://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-201308291655; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:fi:oulu-201308291655

The goal of this thesis was to give a cost view on wear and how to optimize components cost-wise taking operating conditions into consideration, but later it was decided not to limit the focus only to wear resistant applications. The thesis was made for Componenta as a part of HICON project, which studies high friction and low wear contacts. HICON is a subproject of DEMAPP under Finnish consortium company FIMECC Oy, Finnish Metals and Engineering Competence Cluster. The work was done studying books and articles; having conversations in Componenta, HICON, and customers of the case examples; studying the results of the case examples; and evaluating the process in general. Five step material selection process was developed from which four are consecutive steps: finding out customer demands, preselection of materials, House of Quality (HOQ) and decision matrix; and one process long step: life cycle costing. HOQ, which is the first step of Quality Function Deployment (QFD), was used in order to find out which material properties are the most important and to get more objective weightings to decision matrix. Decision matrix is the fourth step to get a guiding suggestion for the optimized material. Life cycle costing was decided to separate as an independent process long step, because of its high importance in cost optimization. It should guide decisions throughout the process. Four wear related case examples were studied from actual customers of Componenta: sheave-wire contact, wear plate in a coupling, feed roller in a forestry machine, and wear plate in a concrete pump. It was found out that there are very promising aspects in this process, but the process is only guiding and the results shouldn’t be taken with certainty. Especially the life cycle costing step was found to be very promising, because when it is kept in mind throughout the process there can be found out significant savings in life cycle costs (LCC). For example in light trucks the significance of weight is approximately $12/kg or according to simple calculations made at Componenta 7 €/kg in life cycle costs. HOQ seems on the other hand very difficult to apply in deciding correlations between customer demands and material properties, and it’s very difficult to estimate the accuracy of its results. Decision matrix seems simpler and easier to understand, but it is only guiding. It is difficult to estimate the efficiency of the process based on four case examples, but it is customer oriented approach with the focus on life cycle costing, so if the process is used selectively with the parts that work best for the company, it could be useful. The process could probably be used with mild changes in many other applications as well, and the applicability could be even better. === Työn tavoitteena oli tutkia komponenttien optimointia kulumisen ja kustannusten kannalta ottaen huomioon käyttöolosuhteet. Myöhemmin päädyttiin siihen, ettei työtä rajoiteta ainoastaan kulumiskestäviin sovelluksiin. Työ tehtiin Componentalle HICON projektin alaisuudessa, joka tutkii kontaktien korkeaa kitkaa ja vähäistä kulumista. HICON on DEMAPP’in alaprojekti suomalaisen konsortioyrityksen FIMECC Oy:n, Finnish Metals and Engineering Competence Cluster, alaisuudessa. Työ tehtiin tutkimalla kirjoja ja artikkeleita; keskustelemalla Componentalla sekä HICON-yritysten ja asiakkaiden kanssa, joilta tapausesimerkit saatiin; ja arvioimalla prosessia yleisesti. Viisivaiheinen materiaalinvalintaprosessi kehitettiin, joista neljä vaihetta on peräkkäisiä: asiakasvaatimusten selvittäminen, materiaalin esivalinta, laatutalo ja päätösmatriisi; ja yksi koko prosessin pituinen vaihe: elinkaarikustannusten arviointi. Laatutaloa, joka on Quality Function Deploymentin (QFD) ensimmäinen vaihe, käytettiin tärkeimpien materiaaliominaisuuksien selvittämiseen ja saadakseen objektiivisemmat painokertoimet päätösmatriisiin. Päätösmatriisi on neljäs vaihe, jolla saadaan ohjaavat ehdotukset materiaalin optimointiin. Elinkaarikustannusten arviointi päätettiin erotella erilliseksi prosessin mittaiseksi vaiheeksi, koska se on niin tärkeä kustannusten optimoinnin kannalta. Sen pitäisi ohjata päätöksiä koko prosessin ajan. Neljä kulumiseen liittyvää Componentan asiakkailta saatua tapausesimerkkiä tutkittiin: vetopyörä ja vaijerin kontakti, vetokidan kulutuslevy, metsäkoneen syöttörulla ja betonipumpun kulutuslevy. Prosessissa havaittiin olevan monta lupaavaa piirrettä, mutta se on ainoastaan ohjaava ja tuloksia ei pitäisi ottaa ehdottomasti. Erityisesti elinkaarikustannusten arviointivaihe havaittiin erittäin lupaavaksi, koska pitäessä sitä mielessä koko prosessin ajan voi löytyä merkittäviä säästöjä elinkaarikustannuksissa. Esimerkiksi kevyissä kuorma-autoissa massan merkitys elinkaarikustannuksissa on suurin piirtein $12/kg tai Componetalla tehtyjen yksinkertaisten laskujen mukaan 7 €/kg. Laatutalo taas vaikuttaa todella vaikealta soveltaa korrelaatioiden määrittämisen asiakasvaatimusten ja materiaaliominaisuuksien välillä, ja on todella vaikea arvioida tulosten tarkkuutta. Päätösmatriisi vaikuttaa yksinkertaisemmalta ja helpommalta ymmärtää, mutta se on ainoastaan ohjaava. On vaikea arvioida prosessin tehokkuutta perustuen neljään esimerkkitapaukseen, mutta kyseessä on asiakaslähtöinen lähestymistapa, jossa keskittyminen on elinkaarikustannuksissa. Jos prosessia käytetään valikoivasti valikoiden ne osat, jotka soveltuvat yritykseen parhaiten, se voi olla hyödyllinen. Prosessia voisi luultavasti käyttää myös muihin sovelluksiin pienten muutosten jälkeen ja sen soveltuvuus voisi olla jopa parempi.