Endpräsentation 15.02.2023

Besprechungsprotokoll 8

Projekt/Anlass: Endpräsentation
Termin: Mi., den 15.02.2023 um 18:00 Uhr
Ort: Online via Zoom
Teilnehmer:innen: Armin Rohnen, Felix Kistler, Martin Aspacher, Stefanie Diener, Michael Albrecht
Protokollführer:in: Michael Albrecht

Annahme des Protokolls der letzten Rücksprache

Das Protokoll von der siebten Rücksprache am 01.02.2023 wurde ohne Widerspruch angenommen.

Labortechnische Espressomaschine

Neuanordnung der Bauteile und Baugruppen

Aufgrund der nicht sehr durchdachten Bauteilanordnung von der Projektgruppe vom SS22 ergab sich die Leistungsvereinbarung der Neuanordnung.

Es sollte der aktuelle Hydraulikplan umgesetzt werden. Dabei sollten möglichst AVS Römer Bauteile eingefügt werden. Die Rohrleitungen sollten möglichst mit geradem Verlauf verlegt werden. Der ganze Zusammenbau sollte Montage und Wartungsfreundlich konstruiert werden.

Diese Anforderungen wurden von Michael Albrecht bei der Neuanordnung erfüllt.

Konstruktion des Rahmens und der Brühgruppenhalterung

Die Rahmenkonstruktion der Projektgruppe vom SS22 erfüllt die Schnittsstellendefinition von Felix Kistler nicht. Die Kraftübertragung der Brühgruppenhalterung ist nicht optimal und führt zu einer geringen Steifigkeit des Rahmens. Außerdem wurden die Bleche nicht Blexon geprüft. Deshalb ergab sich die Leistungsvereinbarung der Neukonstruktion des Rahmens und der Brühgruppe.

Der Rahmen sollte aus einem 2 mm starken Edelstahlblechen bestehen. Es sollten möglichst wenig Blechbiegeteile verwendet werden. Der Boiler war quer in der Maschine zu positionieren. Für die Elektronik war ein spritzwassergeschützter Bereich vorgesehen.

Die Brühgruppenhalterung sollte ein Teil des Rahmens sein. Die Brühgruppen Schnittstellendefinition von Felix Kistler sollte umgesetzt werden. Unter Last soll sich die Brühgruppenhalterung kaum durchbiegen.

Seitenblech

Bei der Neukonstruktion wurde mit dem Seitenblech gestartet. Es wurden folgende Elemente eingefügt: Die Obere Brühgruppenhalterung, der hintere Boiler-Befestigungs-Arm, eine Platine und die SSR werden an das Seitenblech geschraubt, die Laschen am oberen Ende des Blechs sorgen für eine höhere Steifigkeit, zwei Bohrungen für Dampf- und Teewasserlanzen, Bohrungen für höheneinstellbare Beine, Blechbiegungen an der das Elektronikblech befestigt wird, Schienen für das Abtropfblech und die Abtropfschale, Langlöcher für die Magnetventilhalterungen Y04, Y06, Y07, Y09, Y10, Y13.

Bodenblech

Das Bodenblech wurde so designt, dass es von hinten einfach in das Seitenblech eingeschoben werden kann. Aus dem Bodenblech wird das Elektronikblech gebogen, welches für einen spritzwassergeschützten Bereich der Elektronik sorgt. Am Elektronikblech werden zwei Platinen und das Netzteil befestigt. Für den Festwasseranschluss wurde eine extra Biegung mit Bohrung erstellt. Die Wasserpumpe wurde durch eine Bohrung teilweise im Bodenblech versenkt. Außerdem befinden sich Langlöcher für die Magnetventilhalterungen Y01, Y03 und Y05 im Blech.

Halteblech

Das Halteblech wurde erstellt, da die obere und untere Brühgruppenhalterung nicht beide aus demselben Blech fertigbar waren. Aufgrund dessen ist die untere Brühgruppenhalterung aus dem Halteblech gebogen. Außerdem sorgt das Halteblech durch die dadurch verdoppelte Frontblechdicke für eine hohe Steifigkeit. Der vordere Boiler-Befestigungs-Arm wurde kurzfristig auch noch in das Halteblech integriert, da dieser zuvor im Seitenblech nicht fertigbar war. Bohrungen für die Brühgruppenleitungen wurden auch hier eingefügt sowie drei Langlöcher für die Magnetventilhalterungen Y07, Y09, Y10.

Festigkeitsberechnung, Nietauslegung, Blexon

Es wurde eine Festigkeitsberechnung der Brühgruppenhalterung durchgeführt. Dadurch kam man zum Ergebnis, dass die Steifigkeit dieser hoch genug ist.

Eine Nietauslegung wurde abgeschlossen und Nietbohrungen eingefügt.

Die Rahmenkonstruktion ist Blexon geprüft und somit bereits bestellbar.

Die Rahmen Abmaße betragen Höhe: 376 mm | Breite: 444,5 mm | Tiefe: 520 mm

Boilerhalterung

Die Blech Arme sind in der Rahmenkonstruktion enthalten. Dazu werden noch drei Teile 3D gedruckt. Zwei davon sind Adapter für die Boilerdeckelhalterung. Dies sind Gleichteile welche gedreht eingebaut werden. Sowohl in dem Kunststoffteil als auch in dem Blecharm befindet sich eine Bohrung, durch welche ein Splint geführt werden kann. Damit wird ein Verrutschen des Boilers in z Richtung verhindert. Das dritte Kunststoffteil ist der Boilerbock, der sorgt dafür, dass sich der Boiler auf der anderen Seite auf dem Bodenblech aufstützt.

Sonstiges

Es wurde eine Stückliste mit den Bauteilen der labortechnischen Espressomaschine erstellt. Im Wiki wird der ToDo-Status der drei Arbeitsthemen auf jeweils 90% geändert.

Die CAD-Dateien der Maschine werden sowohl im stp als auch im Catia Format übergeben. Außerdem soll eine Liste mit den CAD-Datennamen erstellt werden, welche bei Blexon bestellt werden sollen.

Glasboilermaschine

Freitragende Brühgruppe und Brühturm

Es wurde kurz die Ausgangssituation der freitragenden Brühgruppe und des Brühturms vorgestellt. Die Ausgangssituation umfasst im Wesentlichen die grundlegende Konstruktion mit einer horizontalen Magnentventilanordnung. Basierend auf dieser Ausgangssituation wurden die Leistungsvereinbarungen definiert. Diese umfassen die Überarbeitung der Leistungsführung für einen geradlinigen Rohrleitungsverlauf und deren Vereinfachung. Des Weiteren sollte die Siebträgeraufnahme in der Bauhöhe angepasst werden. Weiter sollte es sich bei der Siebträgeraufnahme um ein Gleichteil für die labortechnische und Glasboilermaschine handeln. Für eine einfachere Montage sollte das Befestigungskonzept überarbeitet werden. Der Brühturm sollte an die überarbeitete freitragenden Brühgruppe angepasst werden. Bei der Konstruktion sollte darauf geachtet werden, dass mit einer Belastung von 100 N in vertikaler und 75 N in horizontaler Richtung, eine maximale Durchbiegung bzw. Verdrehung von 0,1 mm entsteht.

Zunächst wurde die Neuanordnung der Magnetventile von der horizontalen Anordnung in eine vertikale Anordnung umgesetzt. Durch diese Maßnahme konnte die benötigte Breite der Magnetventile von 83 mm auf 51,5 mm reduziert werden. Bei einer Positionierung des Magnetventils Y07 über dem Brühturm, konnte weiter die Anzahl der Elsa-Winkelstücke auf vier reduziert werden. Somit gelang es, die Brühgruppenbreite von 93 mm auf 77,8 mm zu reduzieren. Limitiert wird eine weitere Reduktion durch den einzuhaltenden Mindestabstand von 12,5 mm zur Biegung, was durch den Hersteller Blexon vorgegeben wird. Aufgrund dieser Konstruktionsbedingung ergibt sich der relativ große Unterschied von der Breite der Ventilanordnung und der Brühgruppenbreite. Zur Bestimmung der Absenkungen und Validierung der Geometrie der freitragenden Brühgruppe, wurde ein Berechnungsprogramm mit Mathcad entwickelt. Mithilfe des Programms konnten mehrere Iterationsschleifen durchlaufen werden. Dabei zeigte sich, dass die Ausgangsituation der freitragenden Brühgruppe und des Brühturms, die geforderten Absenkung von 0,1 mm nicht erfüllt. Ein Selbsttest an der Gaggia TE zeigte, dass die zunächst geforderte Absenkung von 0,1 mm sehr konservativ gewählt wurde und eine Höhere Absenkung toleriert werden kann. Insgesamt ergab das Programm bei der Ausgangssituation eine Absenkung in vertikaler Richtung von 0,39 mm. Bei der überarbeiteten Geometrie wird eine Absenkung von 0,37 mm erreicht. Der geringe Unterschied zur Ausgangssituation ergibt sich infolge einer Änderung der Blechdicke von 2,0 mm auf 1,5 mm. Begründet wird dies mit geänderten Fertigungsbedingungen des Herstellers Blexon. So lassen sich mittlerweile Absetzungen bei Edelstahl nur noch bis 1,5 mm herstellen. Die Absenkung in horizontaler Richtung der Ausgangssituation wurde zu 0,81 mm berechnet. Bei dem überarbeiteten Zustand steigt diese marginal auf 0,82 mm. Dies zeigt sich als plausibel, da die Verdrehung des Brühturms den signifikant größten Einfluss hat.

Als nächstes wurde die finale Geometrie des Versteifungs- und Halteblechs präsentiert und auf Details eingegangen. So besitzt das Versteifungsblech Laschen, welche zur Befestigung der Magnetventile dienen. Zwei der drei Laschen werden als Absetzungen realisiert, weshalb die Blechdicke auf 1,5 mm reduziert werden musste. Eine Konstruktion ohne Laschen führt zu keinem geradlinigen Rohrleitungsverlauf und einer Erhöhung der Brühgruppe. Des Weiteren wurde der Ausschnitt für den Brühgruppeneinsatz auf eine konstante Breite von 24 mm geändert.

Die Anpassungen der Siebträgeraufnahme umfasst die Reduktion der Höhe auf 28 mm. Als Befestigungskonzept für die Siebträgeraufnahme wurde die Verwendung von Innensechskantschrauben M4 x 12 vorgesehen. Herr Rohnen wies darauf hin, eine erneute Schraubenauslegung durchzuführen und im Ausblick zu vermerken.

In Übereinstimmung mit Herrn Rohnen wird der Status des Arbeitspakets mit 90 bewertet.

Abtropfwanne und Abtropfblech

Analog zur freitragenden Brühgruppe wurde zunächst die Ausgangssituation der Abtropfwanne und des Abtropfblechs aufgezeigt und die davon abgeleiteten Leistungsvereinbarungen festgelegt. So sollten die Schmutzwasserleitungen im nicht sichtbaren Bereich in die Abtropfwanne geleitet werden. Weiter galt es eine Lagesicherung der Abtropfwanne vorzusehen und das Abtropfblech zu entkoppeln. Bei den konstruktiven Änderungen sollte darauf geachtet werden, die maximale Bauraumtiefe von 520 mm einzuhalten und einen Gastronormbehälter zu verwenden.

Zur Umsetzung der Ableitung des Schmutzwassers im nicht sichtbaren Bereich, wurde zunächst die Reduzierung der Schmutzwasserleitungen untersucht. Hierbei ergab sich, dass durch Einführen eins T-Stücks zwischens Y07 und Y09 die Schmutzwasserleitungen von drei auf zwei reduziert werden können. Bei dieser Maßnahme ist zusätzlich ein Rückschlagventil vor oder nach dem Magnetventil Y10 einzuführen. Mit dem verwendeten Multifunktionsventil unterhalb des Brühturms im Unterbau, konnte durch freie Anschlüsse die Schmutzwasserleitung auf eine reduziert werden. In einem nächsten Schritt wurde versucht die Abtropfwanne unter die Bodenplatte zu bekommen. Dies wurde durch geometrische Anpassungen wie der Vergrößerung der Bodenplatte auf 520 mm, einer Verkleinerung des Ausschnittes für die Abtropfwanne sowie Umsetzung des Abstandes zwischen Siebträgeraufnahme und Innenkante Abtropfblech gemäß der Gaggia TE erreicht. Insgesamt konnte ein Überhang von 12 mm umgesetzt werden.

Durch diese Anpassungen galt es, das Abtropfblech in den Abmaßen anzupassen. Ferner zeigten sich die Aussparungen zum Einsetzen und Entfernen des Abtropfblechs als zu gering. Gemäß DIN 33402-2 beträgt die 95-Percentil der körperfernen Mittelfingerbreite und die körperferne Zeigefingerbreite ungefähr 20 mm. In Übereinstimmung mit den Durchgangsbohrungen des Abtropfbleches wurden die Aussparungen auf 23 mm erhöht.

Die Lagesicherung der Abtropfwanne wird mittels Mechanismus realisiert. Begründet wird die Integration eines Mechanismus mit Zusatzfunktionen. Bei den Zusatzfunktionen handelt es sich beispielsweise um die Freigabe des Betriebs, sobald die Abtropfwanne eingesetzt wurde. Weiter kann die Schmutzwasserleitung integriert und eine Füllstandserkennung vorgesehen werden. Zum Verständnis wurde die Funktionsweise in chronologischer Reihenfolge erläutert. So wird zunächst die Abtropfwanne in die Aussparung eingesetzt und nach vorne geschoben. Dabei stoßen die Griffschenkel, welche zur Entkopplung aus PTFE bestehen, gegen die Bodenplatte. In dieser Endposition kann die Verriegelung durch den Mechanismus beginnen. Der Mechanismus besteht aus einer Hakengeometrie, welche über einen Getriebe-Schrittmotor angetrieben wird. Falls die Abtropfwanne nicht vollständig in ihre Endlage gebracht wurde, besitzt die Hakengeometrie eine schiefe Ebene. Durch diese schiefe Ebene entsteht beim Kontakt mit der Abtropfwanne eine Kraftkomponente in X-Richtung.

Anschließend wurde die Befestigung des Schrittmotors, und somit des Mechanismus, aufgezeigt. Für die Befestigung wurde im Anbindungsblech des Unterbaus eine Aussparung angebracht, welche um 45° gedreht ist. Durch die Anbringung der Aussparung im Unterbau wird kein weiteres Bauteil benötigt. Die Befestigung des Motors erfolgt über zwei Innensechskantschrauben. Durch die Aussparungen ist es möglich geringe Fertigungstoleranzen auszugleichen und den Mechanismus an die Abtropfwanne zu justieren.

Herr Kistler äußerte die Frage, ob bereits ein Getriebe-Schritt-Motor ausgesucht wurde. Dieser ist im Labor vorhanden. Das Datenblatt wird im Wiki-Eintrag sowie im Anhang des Abschlussberichts eingepflegt.

Anschließend wurde die Integration des Schmutzwasserleitung dargestellt. Um einen dichten Wassereintritt in die Hakengeometrie zu gewährleisten, wurde ein gerade Einschraubstutzen verwendet. Hierbei wurde die Strategie verfolgt, dass der Wassereintrittspunkt und die Drehachse fluchten. Somit wurde es ermöglicht, dass der flexible Schmutzwasserschlauch rein auf Torsion belastet wird. Um geringe Strömungsgeschwindigkeiten zu erhalten wurde bei der Hakengeometrie ein breiter Ausflusskanal umgesetzt. Des Weiteren sind Führungen und eine Abtropfkante realisiert, um einen kontrollierten Abfluss des Schmutzwassers zu ermöglichen.

Die Füllstandserkennung wird mittels Kurzschlussstab umgesetzt. Die mögliche Integration erfolgt über eine Leitkurve im inneren der Hakengeometrie, um eine einfache Montage zu ermöglichen. Der Kanal der Leitkurve wurde mit einem Durchmesser von 2 mm umsetzt.

Herr Rohnen merkte an, dass je nach 3D-Druck-Verfahren der Durchmesser gegebenenfalls angepasst werden muss. Des Weiteren wies Herr Kistler darauf hin, dass an gewissen Stellen dieser Konstruktion noch Masse eingespart werden kann.

In Übereinstimmung mit Herrn Rohnen wird der Status des Arbeitspakets mit 90 bewertet.

Glasboiler

Die Baugruppe des Glasboilers wurde überarbeitet. Hier wurde zum einen die Spannhakenkonstruktion auf ihre Festigkeit untersucht. Diese besteht aus dem oberen und dem unteren Spannhaken, welche aus dem Material PA-12 gefertigt werden. Da sich die Festigkeit als unzulässig herausstellte, wurde eine neue Konstruktion aus Edelstahl entworfen. Diese besteht aus zwei Blechbiegeteilen sowie zwei Versteifungselementen. Anstelle getrennter Elemente zur Verbindung des Verspanndeckels mit dem Glaszylinder sowie des Glaszylinders mit dem Boden, besteht die neue Konstruktion aus einer Einheit. Diese übernimmt sowohl die obere als auch die untere Verbindung. Die Versteifungselemente dienen zum Verhindern der Durchbiegung der Spannhaken und gleichzeitig als Gegenstücke für die Befestigungsschrauben. In Zukunft könnten die unteren Versteifungselemente als Ring umgesetzt werden. Eine weitere Möglichkeit wäre das Anbringen einer optischen Abdeckung am unteren Boilerrand. Weiterhin wurde der Boilerboden überarbeitet. Durch Entfernen des Absatzes auf der Unterseite konnte eine flächige Auflage auf der Bodenplatte erreicht werden. Die Auflagefläche hat sich annähernd verdoppelt. Als Alternative zu den eingeklebten metallischen Durchführungen zur Anbringung der Sensoren wurden direkte Gewinde im Boilerboden gewählt. Diese werden zusätzlich mit einer lebensmittelverträglichen Gewindeklebemasse abgedichtet. Im nächsten Schritt muss die Dichtheit dieser Lösung durch Versuche mithilfe eines Prototyps geprüft werden. Ein weiterer zukünftiger Schritt ist die Implementierung eines Überhitzungsschutzes. In der Phase des Prototypenbaus kann dieser zunächst durch ein Anlagethermometer umgesetzt werden.

Bodenplatte

Die Bodenplatte der Glasboilermaschine wurde an die finalisierte Version des Brühturms sowie an die neu angeordneten Komponenten des Unterbaus angepasst. Die Tiefe der Bodenplatte hat sich auf 520 mm erhöht. Die Position des Brühturms hat sich verändert. Die Aussparung der Abtropfwanne wurde verringert, um einen nicht sichtbaren Bereich für die Schmutzwasserableitung zu schaffen. Aussparungen für die neue Spannhakenkonstruktion wurden hinzugefügt. Zusätzlich wurden die Aussparungen reduziert, um eine höhere Steifigkeit der Bodenplatte zu erreichen.

Unterbau

Ziel hierbei war die Finalisierung der Konstruktion im Einklang mit anderen Baugruppen sowie die Umsetzung einer geradlinigen Rohrleitung. Da es in der bisherigen Anordnung der Komponenten zu Kollisionen kam, wurde dieser überarbeitet. Ein weitgehend geradliniger Leitungsverlauf wurde erreicht. Die Ventilhalter wurden dementsprechend angepasst. Diese sind entweder direkt im Versteifungsblech angebracht oder werden mithilfe zusätzlicher Befestigungsbleche umgesetzt. Hierbei wurde darauf geachtet, Gleichteile zu verwenden, sodass der Fertigungsaufwand gering bleibt. Der Anbindungsrahmen und das Versteifungsblech wurden an die Änderungen angepasst. Außerdem wurden sie über den Hersteller Blexon geprüft und sind fertigbar. Hierzu mussten kleine konstruktive Änderungen, wie das Hinzufügen von Entlastungsschnitten und das Anpassen von Laschengrößen, vorgenommen werden.

Schlussworte

Sowohl bei der Labortechnischen- als auch bei der Glasboilermaschine soll im Ausblick des Berichtes erwähnt werden, dass bei den verbauten Boiler Konstruktionen noch eine Überhitz-Sicherung durch einen Anlage Thermometer einzufügen ist.

Es soll zu jedem ToDo-Listen-Punkt noch ein abschließender Text geschrieben werden. Darin soll kurz zusammengefasst sein, was alles erledigt wurde und was in Zukunft noch erledigt werden muss.

Die jeweilig abzugebenden Datensätze sollen per WeTransfer an Herr Rohnen geschickt werden.

Herr Rohnen und Herr Kistler sind mit der verrichteten Arbeit der Konstruktionsgruppe durchaus zufrieden. Auch das Konstruktionsteam ist mit dem Projektverlauf und der Betreuung durch Herr Rohnen zufrieden und kann auf ein schönes aber intensives Semester zurückblicken.