Kugelventil:Konzepte

Konzeptentwicklung

Im weiteren Verlauf der Entwicklung wurden die Optionen für Ventil, Motor und Verbindungselement miteinander kombiniert und zu verschiedenen Systemkonzepten weiterentwickelt. Die Konzepte unterscheiden sich hinsichtlich verwendeter Komponenten. Um die Auswirkungen der verwendeten Komponenten auf den Selbstkostenpreis einschätzen zu können, wurden für jedes Konzept zwei Varianten mit sowohl Schritt- als auch Servomotor erstellt. Die unterschiedlichen Konzeptvarianten sind mit A für Schrittmotor und mit B für Servomotor gekennzeichnet.

Im Folgenden sind die Konzeptvarianten mit ihren unterschiedlichen Konfigurationen aufgelistet. Da die Hochschule München bei dem Zulieferer AVS Römer einen Rabatt von 53% auf Bestellungen bekommt, sind je Konzeptvariante der Selbstkostenpreis mit und ohne eingerechneten Rabatt kalkuliert worden. Der Selbstkostenpreis mit Rabatt ist in der Tabelle unter dem normalen Selbstkostenpreis in Klammern angegeben.

Konzept 1 - Kugelventil mit Stellmotor und 3D-Druck-Adapter

Für Konzept 1 werden Schritt- und Servomotor mit dem Kugelventil Nr. 6 des Herstellers LF Ersatzteile kombiniert und per selbstkonstruiertem Adapter aus dem 3D-Druck miteinander verbunden. Das Kugelventil Nr. 6 wurde aufgrund des niedrigen Listenpreises von 3,87 € pro Stück sowie dem geringen Betätigungsmoment von 0,85 Nm ausgewählt.

Variante 1A mit Schrittmotor

Bauteil	Lieferant	Beschreibung	Art.Nr.	Preis/Stk (EUR)	Anzahl
Schrittmotor 1	exp-tec.de	NEMA 17	EXP-R73-006	9,51	1
Kugelventil Nr. 6	LF Ersatzteile	Ø 1/4“ MF	3526699	3,87	1
Verbindung Ventil - Motor	hubs.com	Kugelhahn-Adapter	3D-Druck (MJF) HP PA12	8,15	1
Schrittmotor-Adapter	hubs.com		3D-Druck (MJF) HP PA12	9,02	1
ELSA-Verschraubung	AVS Römer	951P3-4FF-1/4	367052	4,80	2
Gesamt				40,15

Für die Kostenkalkulation der 3D-Druck-Teile wurden die Teile der beiden Adapter im STL-Dateiformat auf der Website des Herstellers hubs.com hochgeladen und je Teil ein Angebot für den MJF-3D-Druck aus PA12 eingeholt.

Variante 1B mit Servomotor

Bauteil	Lieferant	Beschreibung	Art.Nr.	Preis/Stk (EUR)	Anzahl
Servomotor AM Racing	conrad.de		1953723 - 62	24,99	1
Kugelventil Nr. 6	LF Ersatzteile	Ø 1/4“ MF	3526699	3,87	1
Servomotor-Adapter	hubs.com		3D-Druck (MJF) HP PA12	9,32	1
ELSA-Verschraubung	AVS Römer	951P3-4FF-1/4	367052	4,80	2
Gesamt				47,78

Da für das Ventil in Konzept 1 ein Kugelventil verwendet wird, werden je Variante noch zwei zusätzliche ELSA-Verschraubungen des Herstellers AVS Römer benötigt, um das Ventil mit den Leitungen zu verbinden.

Konzept 2 - Kugelventil mit Stellmotor und Wellenkupplung

Im zweiten Konzept werden die Motoren und das Kugelventil Nr. 6 aus Konzept 1 mit der zugekauften Wellenkupplung anstatt mit den selbstkonstruierten Adaptern verbunden.

Variante 2A mit Schrittmotor

Bauteil	Lieferant	Beschreibung	Art.Nr.	Preis/Stk (EUR)	Anzahl
Schrittmotor 1	exp-tec.de	NEMA 17	EXP-R73-006	9,51	1
Kugelventil Nr. 6	LF Ersatzteile	Ø 1/4“ MF	3526699	3,87	1
Wellenkupplung	christians-shop.de	25mm, 10mm/6mm	RS20	2,55	1
ELSA-Verschraubung	AVS Römer	951P3-4FF-1/4	367052	4,80	2
Gesamt				25,53

Variante 2B mit Servomotor

Bauteil	Lieferant	Beschreibung	Art.Nr.	Preis/Stk (EUR)	Anzahl
Servomotor AM Racing	conrad.de		1953723 - 62	24,99	1
Kugelventil Nr. 6	LF Ersatzteile	Ø 1/4“ MF	3526699	3,87	1
Wellenkupplung	christians-shop.de	25mm, 10mm/6mm	RS20	2,55	1
ELSA-Verschraubung	AVS Römer	951P3-4FF-1/4	367052	4,80	2
Gesamt				41,01

Zu sehen ist, dass die Wellenkupplung den Gesamt-Selbstkostenpreis des Systems im Vergleich zu Konzept 1 deutlich senkt.

Konzept 3 - Drosselventil mit Stellmotor und Wellenkupplung

Das dritte Konzept verwendet anstatt des Kugelventils das manuelle Drosselventil von AVS Römer. Dieses Drosselventil ist im Vergleich deutlich teurer, bringt jedoch auch einige Vorteile mit sich. So werden keine zusätzlichen ELSA-Verschraubungen benötigt, da die Kunststoff-Leitungen für Wasser und Dampf direkt an das Ventil angeschlossen werden können, was Kosten spart.

Des Weiteren wird das Drosselventil nicht per Drehung um einen bestimmten Winkel betätigt, sondern durch die Rotation des Aufsatzes. Um das Drosselventil ausgehend von geöffneter Position vollständig zu schließen, sind 11,5 Rotationen nötig.

Zu beachten ist jedoch die horizontale Verschiebung, die während der Betätigung des Ventils durch die Steigung des Gewindes entsteht. Diese horizontale Verschiebung zwischen offener und geschlossener Position beträgt 4 mm und muss vom Motor mitgetragen werden, wenn das Ventil an der gleichen Stelle verweilen soll. So muss in der späteren Konstruktion berücksichtigt werden, dass der Motor so montiert wird, dass er in der Verschiebungsrichtung ausreichend Spiel hat und um 4 mm verschoben werden kann.

Variante 3A mit Schrittmotor

Bauteil	Lieferant	Beschreibung	Art.Nr.	Preis/Stk (EUR)	Anzahl
Schrittmotor 1	exp-tec.de	NEMA 17	EXP-R73-006	9,51	1
Drosselventil	AVS Römer		3526699	18,87	1
Wellenkupplung	christians-shop.de	25mm, 10mm/6mm	RS20	2,55	1
Gesamt				30,93

Variante 3B mit Servomotor

Bauteil	Lieferant	Beschreibung	Art.Nr.	Preis/Stk (EUR)	Anzahl
Servomotor AM Racing	conrad.de		1953723 - 62	24,99	1
Drosselventil	AVS Römer		3526699	18,87	1
Wellenkupplung	christians-shop.de	25mm, 10mm/6mm	RS20	2,55	1
Gesamt				46,41

Konzeptauswahl

In der folgenden Grafik ist eine Übersicht der unterschiedlichen Konzeptvarianten und deren respektiven Selbstkostenpreise nach Listenpreis und mit eingerechnetem Rabatt dargestellt.

Allgemein sind die Konzeptvarianten mit Schrittmotor günstiger als die Varianten mit Servomotor, was mit den unterschiedlichen Listenpreisen von 10 beziehungsweise 25 € zu tun hat. So erfüllen nach Listenpreis ausschließlich die Konzeptvarianten 2A und 3A dem definierten maximalen Selbstkostenpreis von 30,00 € pro System. Die Konzepte 1A, 1B, 2B und 3B kommen nicht weiter in Frage, da für den Preis auch direkt das Dosierventil von AVS Römer verwendet werden kann und so eine Eigenentwicklung überflüssig macht. Dieses Dosierventil besitzt einen Listenpreis von rund 80,00 €, nach Abzug des gewährten Rabatts von 53% beträgt der Preis jedoch nur noch 37,60 €, was dem Preis der oben genannten Konzepte entspricht und damit keine Kostenersparnis mit sich bringt.

Bei der finalen Konzeptauswahl ist auch zu beachten, dass der Selbstkostenpreis der A-Varianten durch die für den Betrieb des Schrittmotors erforderliche Zusatzausstattung wie Treiber oder Getriebe noch steigen kann, währenddessen der Servomotor bereits im Lieferzustand ohne zusätzliche Ausstattung betrieben werden kann. Letztendlich muss evaluiert werden, welche Zusatzausstattung zum Betrieb des Schrittmotors erforderlich ist, was die Zusatzausstattung für Auswirkungen auf den Selbstkostenpreis hat und welcher der beiden Motoren die besten Ergebnisse während des Testens liefert.

Des Weiteren kann festgehalten werden, dass die Wellenkupplung des Zulieferers als Verbindung zwischen Ventil und Motor deutlich günstiger im Einkauf ist als die per 3D-Druck gefertigten Adapter aus Eigenkonstruktion. Sollte sich während des Testens herausstellen, dass die Wellenkupplung auch den übrigen Anforderungen des Systems entspricht und zufriedenstellende Ergebnisse liefert, muss die Wellenkupplung den 3D-Druck-Teilen als Verbindungselement vorgezogen werden.