Style-1-Zylinder:Lanzen

Daniel Hellwig, Abschlussbemerkung 13.02.2025

Die Lanzen sind montiert. Die Montagehilfe wurde dementsprechend auch so angepasst, dass die Lanzen montiert bleiben können.

Die im Teilemanagement sowie CAD-Daten hinterlegte Federführung ist für die Seite der Wasserlanze konzipiert. Es muss geprüft werden ob diese Version der Federführung auch bei der Dampflanze funktioniert oder ob die Lanze dann zu steif ist. Im Moment ist auf beiden Seiten die gleiche "Federführung" (In Wirklichkeit: Kugelaufnahmen für eine andere Dampflanze) montiert, mit dem Unterschied, dass bei der Wasserlanze eine zusätzliche Beilagscheibe drinnen liegt um die Federkraft weiter zu erhöhen. Um das zu prüfen kann beispielsweise die selbe Beilagscheibe auf der Seite der Dampflanze ausprobiert werden.

Daniel Hellwig, 19.01.2025

Das Gegenstück zum M25x1 Außengewinde wurde gefertigt, und die Funktionalität des Außengewindes am Distanzstück erfolgreich getestet. Das M25x1 Gewinde wurde richtig konstruiert und gut gedruckt. Da es sich aber im ersten Gewindegang recht schwer einschrauben lässt wird noch eine Fase hinzugefügt. Das gedruckte Adapterstück lässt sich ebenfalls montieren, jedoch muss dieses jetzt aus Messing gefertigt werden, da die wirkenden Kräfte, wenn man an den Lanzen zieht, nach Berechnungen, zu hoch für den Kunststoff sind. Das Problem, dass die Lanze nicht in Ihrer Position stehen bleibt, ist wie folgt gelöst. Die Federkraft wird durch die Einführung einer Federführung erhöht, so dass die Kraft ausreicht, um die Lanze jetzt in Ihrer Position zu halten. Die bisher vorgesehene Beilagscheibe entfällt dadurch. Die Länge des Distanzstückes wurde auf 36 mm angepasst. Es wurde auch eine CAD-Konstruktion der Federführung erstellt, da diese aus Kostengründen in Zukunft bei Instawerk (43) gefertigt werden soll. Dabei wurden um dort auch die Kosten so gering wie möglich zu halten ein paar Vereinfachungen vorgenommen, wie zum Beispiel mehrere für uns unnötige Einsparungen (Rückführung auf Durchmesser) oder den Kugelsitz weggelassen. Für den Prototypen sollen aber trotzdem vorübergehend die bereits vorhandenen Kugelaufnahmen für eine andere Dampflanze verwendet werden.

Maximilian Beck, 07.01.2025

Fertigung der Distanzhülse

Die Distanzhülse liegt in der finalen Version vor und wurde erfolgreich im Material Greentec Pro gedruckt. Die Druckparameter wurden weiter optimiert, um eine möglichst hohe Maßhaltigkeit und Stabilität zu gewährleisten. Der finale Druck erfolgte mit den folgenden Parametern:

• Material: Greentec Pro
• Infill: 100 %
• Außenwände: 4
• Schichthöhe: 0,14 mm
• Druckzeit: ca. 40 Minuten pro Stück

Die Gewinde in der Distanzhülse sind maßhaltig und funktional. Es hat sich jedoch gezeigt, dass es sinnvoll ist, das Gewinde nach dem Druck einmal nachzuschneiden. Dies stellt sicher, dass das Gewinde reibungsfrei funktioniert und ein schiefes Eindrehen, insbesondere am Gewindeeinstieg, vermieden wird.

Die Maßhaltigkeit des finalen Drucks wurde überprüft und entspricht den Anforderungen. Das verwendete Material Greentec Pro hat sich auch bei der finalen Fertigung als sehr geeignet erwiesen.

Änderungen im Vergleich zur vorherigen Version (18.12.2024)

Im Vergleich zur vorherigen Version wurden keine weiteren konstruktiven Änderungen an der Distanzhülse vorgenommen. Die Konstruktion wurde lediglich final überprüft und in der optimierten Version gedruckt. Dabei hat sich gezeigt, dass die Spannung im Bauteil stabil gehalten wird.

Fertigung des Adapterstücks

Im Gegensatz zur Distanzhülse wird das Adapterstück in der finalen Version nicht mehr im 3D-Druckverfahren hergestellt. Nach eingehender Prüfung wurde entschieden, die Distanzhülse aus Metall fertigen zu lassen. Diese Entscheidung wurde aufgrund der höheren Stabilitätsanforderungen getroffen, die mit einem Metallbauteil besser erfüllt werden können.

Maximilian Beck, 18.12.2024

Fertigung Distanzhülse

Im Rahmen der Fertigung der Distanzhülse wurde der 3D-Druck in PLA durchgeführt. PLA erwies sich aufgrund seiner schnellen Druckzeiten, niedrigen Kosten und der vergleichbaren Maßhaltigkeit zu Greentec Pro als geeignetes Material für die ersten Druckversuche. Zudem konnten wir durch die Verwendung von PLA die aufwendige Trocknungszeit für das feuchtigkeitsanfällige Greentec Pro Material vermeiden.

Probleme während der Fertigung

1. Gewindeeinstieg: Bei den ersten Drucken führte eine unvollständige Gewindestruktur dazu, dass der Gewindeeinstieg erschwert war. Die Druckqualität war zwar gut, jedoch beendete die Konstruktion das Gewinde zu früh, was die Verschraubung beeinträchtigte.
2. Maßgenauigkeit des Gewindes: Die Maßgenauigkeit des Gewindes selbst war durch die gegebenen Druckparameter in PLA einwandfrei. Allerdings zeigte sich, dass die ursprüngliche Konstruktion nicht optimal war. Hier waren konstruktive Anpassungen seitens des Prototypenteams erforderlich, um eine saubere Passung zu erreichen.
3. Druckqualität von PLA: Der Druck in PLA lieferte insgesamt sehr gute Ergebnisse. Die Oberflächenqualität war sauber, und das Gewinde ließ sich ohne Schwierigkeiten drucken. Der Druckprozess erfüllte alle Anforderungen und war aus fertigungstechnischer Sicht optimal.

Fazit:

Durch die mehrfachen PLA-Drucke konnten die Parameter für den 3D-Druck leicht optimiert werden. Der Druck selbst war durchweg zufriedenstellend, jedoch waren konstruktive Anpassungen nötig, um die Passgenauigkeit des Gewindes sicherzustellen. Der finale Druck des Adapterstücks wird im Greentec Pro Material mit 100% Infill und einer Schichtdicke von 0,1 mm durchgeführt. Dieser Druck wird zur abschließenden Überprüfung der Gewindepassung und Maßhaltigkeit dienen.

Fertigung Adapterstück

Die Fertigung des Adapterstücks begann ebenfalls mit Druckversuchen in PLA. Hier lag der Schwerpunkt auf der Überprüfung der Gewindepassung sowie der Verbindung zur Lanze im Kugelgelenk. PLA wurde gewählt, um die Druckzeit zu verkürzen und Materialkosten zu reduzieren.

Probleme während der Fertigung:

1. Gewindekompatibilität: Die ersten PLA-Drucke zeigten Schwierigkeiten bei der Passung der Gewinde für die Schlauchkupplung. Diese Probleme waren konstruktionsbedingt, weshalb Anpassungen an den Gewindeeinstellungen erforderlich waren, um eine ordnungsgemäße Verbindung zu ermöglichen.
2. Stabilität der Lanze im Kugelgelenk: Nach den erfolgreichen Anpassungen der Gewinde fiel auf, dass die Vorspannung der Lanze im Kugelgelenk nicht ausreichend war. Dies führte dazu, dass die Lanze zu leicht verstellbar war und unter ihrem eigenen Gewicht in ihre Ausgangsposition zurückkehrte.
3. Maßgenauigkeit des Drucks: Die Maßgenauigkeit der gedruckten Adapterstück war insgesamt zufriedenstellend. Dennoch blieben gewisse Unsicherheiten bezüglich der Maßhaltigkeit bestehen, die abschließend nur im finalen Druck mit Greentec Pro überprüft werden können.

Aktueller Status am 18.12.2024

Nach umfangreichen PLA-Druckversuchen konnten die Parameter für den 3D-Druck optimiert und konstruktive Anpassungen durchgeführt werden. Beide Teile – das Adapterstück und die Distanzhülse – scheinen nun konstruktiv fertiggestellt zu sein. Der finale Druck erfolgt mit Greentec Pro Material, 100% Infill und einer Schichtdicke von 0,1 mm. Dieser Druck wird im Anschluss vor Ort zur Überprüfung der Gewindepassung und der Maßhaltigkeit kontrolliert, um sicherzustellen, dass alle Anforderungen erfüllt sind.

Der gesamte Prozess hat gezeigt, dass der 3D-Druck bereits sehr ausgereift ist und die Fertigungsqualität zuverlässig reproduzierbar ist. Die abschließende Kontrolle wird die letzten offenen Punkte klären.

Daniel Hellwig, 10.12.2024

Die aktuellen 3D-Musterteile aus PLA lassen sich einschrauben. Da aber das M20x1,5 Außengewinde an der Lanze keinen Gewindefreistich besitzt muss hier noch eine kleine Anpassung in der Konstruktion der Distanzhülse erfolgen, sodass die Lanze komplett und schön in das Distanzstück eingeschraubt werden kann. Im Anschluss wird die Distanzhülse aus Greentec gedruckt und getestet. Um die M25x1 Außengewinde der 3D-Musterteile zu testen, welche später in das Distanzrohr geschraubt werden, wurde eine Aluminium-Stange mit Durchmesser 30 mm besorgt. Die Hochschulwerkstatt wird dort das M25x1 Gewinde reindrehen.

Daniel Hellwig, 04.12.2024

Die Konstruktion der Gewinde im 3D-Druck für die Distanzhülse sowie das Adapterstück erweisen sich schwerer als gedacht. Die neuen 3D-Musterteile lassen sich erneut nicht einschrauben. Um die Konstruktion der Gewinde schnell voranzutreiben wird der Kontakt mit der 3D-Druck Gruppe intensiviert, wodurch öfter 3D-Musterteile erstellt und schnellere Konstruktionsänderungen ermöglicht werden.

Daniel Hellwig, 02.12.2024

Für die Bestellung der Außenrohre bei (43) wurde eine Kostenkalkulation erstellt. Es wurden erneut Konstruktionsänderungen an der Distanzhülse und am Adapterstück vorgenommen. Um diese zu testen, entstehen wieder 3D-Musterteile

Daniel Hellwig, 25.11.2024

Festigkeitsnachweis Distanzhülse

Der Festigkeitsnachweis wurde geführt. Dafür ist zuerst der kritische Querschnitt $A_{krit}=97,05$ $mm^{2}$sowie die kleinste Wandstärke t = 1,4 mm aus den vorhandenen CAD-Dateien zur Distanzhülse ermittelt worden.

Ebenfalls musste ein Zugversuch von der Feder gemacht werden, welche im Distanzstück gegen die Kugelaufnahme drückt. Mithilfe des Hook’schen Gesetzes konnte so die Federsteifigkeit zu k = 4,0 ${\frac {N}{mm}}$bestimmt werden.

Bei derzeitiger Konstruktion wird die Feder im Distanzstück um 5,5 mm eingedrückt. Daraus ergibt sich eine Normalspannung im kritischen Querschnitt der Distanzhülse von $\sigma _{Feder}=0,23$ MPa

Die Berücksichtigung des Drucks erfolgt unter der Annahme des Auslegungsdrucks p = 4,5 bar. Nach der Kesselformel ergibt sich für die Scherung mit $d_{i}=20,724$ mm

$\tau ={\frac {p\cdot d_{i}}{2\cdot t}}$ = 3,34 MPa

Die Normalspannung welche aufgrund des Drucks wirkt errechnet sich zu $\sigma _{Druck}=1,25$ MPa.

Nach Addiotion der beiden Normalspannungen wird die resultierende Spannung berechnet.

$\sigma _{res}={\sqrt {\sigma ^{2}+\tau ^{2}}}=3,65$ MPa

Schließlich lässt sich sagen, dass bei diesen oder ähnlichen Auslegungen der Distanzhülse, es zu keinen Problemen bezüglich des Bruchs kommen wird.

Test der 3D-Musterteile

Die neuen 3D-Musterteile weisen konstruktive Mängel auf und müssen überarbeitet werden. Der ELSA-Anschluss lässt sich nicht ins Distanzstück einschrauben. Aufgrund der Maßtoleranzen im 3D-Druck, soll die Gewindetiefe ein wenig vergrößert werden, sodass anschließend nach erneutem Druck dieses Problem gelöst ist.

Daniel Hellwig, 21.11.2024

Die Gewinde am Adapterstück liegen als Volumenmodell konstruiert vor. Die Montage des PFA-Rohrs und des Außenrohrs über dieses Adapterstück wurde nun gelöst, indem die Bohrung im Adapterstück vergrößert worden ist. Dadurch kann das PFA-Rohr einfach hindurchgeführt werden und behindert somit auch nicht die Montage des Außenrohrs bzw. Adapterstücks. Die Änderungen der Konstruktion wurden bereits im CAD durchgeführt.

Ebenfalls wurde das G1/8 Gewinde als Volumenmodell in die Distanzhülse, zur Montage der ELSA-Anschlüsse, konstruiert.

Von beiden Teilen soll ein 3D-Test Druck entstehen.

Daniel Hellwig, 13.11.2024

Das Musterteil des Distanzstücks liegt als 3D-Druck vor. Das M20x1,5 Gewinde, welches mitgedruckt wurde, ist prinzipiell funktionsfähig. Für eine finale Version ist die korrekte Konstruktion des M25x1 Außengewindes und M20x1,5 Innengewindes erforderlich. Die Verspannung der Lanzen über eine Feder und Kugelaufnahme ist nicht gegeben. Für die Befestigung des PFA-Rohrs an das Distanzstück soll ein gerader ELSA-Anschluss verwendet werden. Das zugehörige G1/8 Zoll Gewinde muss in die Konstruktion eingebracht werden.  

Um Musterteile im 3-D-Druck herstellen zu können, wird von der Konstruktionsgruppe zur Vorbereitung eine Hülse mit M25x1 Außengewinde und M20x1,5 Innengewinde als Volumenmodell konstruiert und als STEP-Datei zur Verfügung gestellt. Daraus, und mithilfe des konstruierten Gewindes vom ELSA-Anschluss, kann dann das gewünschte Distanzstück als CAD-Modell für den 3D-Druck erstellt werden.

Die Montage des PFA-Rohrs und des Außenrohrs über ein Adapterstück an der Maschine muss noch geklärt werden. Nicht möglich ist es ebenfalls mit einem ELSA-Anschluss, dies würde sich bei der Montage nicht ausreichend verspannen lassen. Zudem müsste eins der beiden ELSA-Anschlüsse “blind” getroffen werden. Was bei gekrümmten PFA-Rohren unmöglich erscheint. Die Beschaffung des Außenrohrs ist noch ungeklärt. Möglicherweise kann dort die Hochschuleigene Werkstatt aushelfen.

Die Distanzhülse soll zumindest für den Prototypen, ggf. Dauerhaft, als 3D-Druck-Bauteil hergestellt werden. Zur Prüfung der Realisierbarkeit muss ein Festigkeitsnachweis geführt werden. Da die Lanzen über eine Feder und eine Kugelaufnahme im inneren der Distanzhülse verspannt werden, muss, falls diese Distanzhülse 3-D-gedruckt wird, eine Edelstahl Unterlegscheibe zwischen Hülse und Feder eingelegt werden.  

Daniel Hellwig, 09.11.2024

Die Überprüfung der Lanzen im CAD ergab, dass der Fehler am Befestigungsadapter noch nicht behoben wurde. Die Verschraubung erfolgt laut aktueller Konstruktion immer noch über ein M20, anstatt mit einem M20x1,5 Gewinde. Dies wurde jetzt geändert. Zur Überprüfung des Distanzstücks auf seine Funktion soll nun ein 3D-Musterteil gedruckt werden. Dabei ist zu beachten, dass das Gewinde wirklich als Volumenmodell vorhanden ist und nicht etwa “nur” auf der Oberfläche dargestellt wird, da sonst das Gewinde nicht mitgedruckt wird.

Daniel Hellwig, 04.11.2024

Um die Dampf- und Teewasserlanze zu installieren, werden Lanzenadapter benötigt. Hierfür soll ein Abgleich zwischen Realteil und Konstruktionszeichnung für Klarheit sorgen. Falls es sich um einen Konstruktionsfehler handelt, wird die Detailentwicklung zum Entwurf neuer Lanzenadapter zu Hilfe gezogen. Der Konstruktionsfortschritt wird im Wiki dokumentiert. Anschließend werden die Adapter bestellt oder über die hochschulinterne Fertigung angefragt. Am Ende müssen die Lanzen mithilfe der neuen Teile montiert werden.

Felix Kistler, 07.11.2023

Die Konstruktion der Lanzen ist abgeschlossen. Sowohl Dampf- als auch Teelanze sind bei der 1- und 2-Zylinder-Maschine identisch und werden baugleich dupliziert. Beide Baugruppen sollen in Serie vormontiert werden.

Armin Rohnen, 17.08.2023

Montage der Dampf- und Teewasserlanze

Die beiden Lanzen werden aus mehreren Einzelteilen zu Baugruppen montiert. Bei der Montage ist auf ausreichende jedoch nicht übermäßige Vorspannung zwischen Lanzenrohr und eigentlicher Lanze zu achten. Die Lanze muss über die Vorspannung einen ausreichend festen Halt besitzen, damit diese nicht selbständig ihre Lage verändert. Erreicht wird dies durch die Verschraubung der Lanzen gegen eine Spannfeder.

Die Lanzenbaugruppen werden mit der Bodenplatte verschraubt und es erfolgt eine Verrohrung zu den jeweiligen Magnetventilen.

Dokumentation

Alle erforderlichen Arbeitsschritte der Lanzenmontage sind in einer Montageanleitung zu dokumentieren.