Projektarbeit Glasboiler 2021

Espressomaschine mit Borosilikatglasboiler

Die Espressomaschine besitzt in der heutigen Zeit einen großen Stellenwert in der Gesellschaft. Jährlich werden in Deutschland durchschnittlich pro Person „166 Liter [Kaffee] konsumiert“ (Preibisch, 2020), weshalb der Kaffee als das beliebteste Heißgetränk Deutschlands zu verstehen ist.

Aus diesem Grund ist es wichtig, dass nicht nur die einwandfreie Verarbeitung des Kaffees in der Maschine für die Kunden essenziell ist, sondern auch die Kaffee- bzw. Espressomaschine in optischer Hinsicht überzeugen muss. Um ein optisch ansprechendes Design für eine neue Generation der Espressomaschinen zu ermöglichen, wurde bereits im Zuge einer studentischen Projektarbeit (Blädel, et al., 2020) eine Maschine mit einem Boiler aus Borosilikatglas entworfen. Hierbei besteht der Boiler aus zwei Borosilikatglaszylindern, die den Erwärmungsprozess des Wassers im Boiler für den Anwender sichtbar machen. Bei der Erwärmung des Wassers im Boiler wird ein starker Innendruck aufgebaut. Diese Druckkraft wird durch eine Verspannung zwischen Boiler und Boilerdeckel aufgenommen, wobei zu beachten ist, dass dieser Verspannmechanismus ebenfalls eine Längenänderung aufgrund von Erwärmung zu erfassen hat. In der vorangegangenen Arbeit wurde hierfür eine Stabverspannung zwischen den beiden Borosilikatglaszylindern vorgesehen. Da diese jedoch die Sicht auf das Innere des Boilers einschränkt und gleichzeitig das optisch einwandfreie Gesamtbild für den Anwender stört, soll dieser Verspannmechanismus neu entworfen werden. Des Weiteren ist, für eine optisch ansprechende Aufteilung der wesentlichen Komponenten, eine Undertable-Konstruktion der Maschine zu entwickeln. Hierbei sollen lediglich der Borosilikatglasboiler sowie der Brühturm mit den wichtigsten Bedienelementen für den Anwender erkennbar sein. Alle weiteren Komponenten, z.B. die Kabelführung oder die Wasserzuführung und -ableitung, sollen unter der Arbeitsplatte angebracht sein, um den Blick nicht durch nebensächliche Komponenten abzulenken. Zur Optimierung des visuellen Gesamtbildes sollen der Brühturm und die darauf befindlichen Bedienelemente angepasst werden. Es müssen sowohl die Kabel- und Leitungsführungen neugestaltet werden, als auch die dafür notwendigen Elemente zur Befestigung und Platzierung angepasst werden.

Durch eine Kostenreduktion von Boilerdeckel und -boden werden für den Endverbraucher die Anschaffungskosten der Espressomaschine gesenkt, wodurch das Produkt für den Kunden attraktiver wird. Aus diesem Grund ist in der diesjährigen Projektarbeit eine Neukonstruktion des Deckels und Bodens durchzuführen, um alle erforderlichen Eigenschaften zu erfüllen.

Verfasser

Ludwig Ackermann
Lucas Kolbinger
Marko Kurtusic
Isabell Muißl
Matthias Rieseberg
Melanie Schuster
Edon Shala

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung/Aufgabenstellung
2. Anpassung des Verspannmechanismus bezüglich der optischen Vorgaben
2.1. Federauswahl und Verspannungskonzept
Mögliche Federarten für die Verspannung
Konzepte für den Verspannmechanismus und Auswahl
2.2. Berechnungen für den Verspannmechanismus
Berechnung des Innendruckes im inneren Borosilikatglaszylinder
Berechnung der Längenausdehnungen
Auslegung der Feder, Festigkeitsnachweis und Federkräfte
Festigkeitsnachweis für das Borosilikatglas unter dem Einfluss der maximalen Federkraft
Berechnung des Anzugmomentes zur Einstellung der Vorspannkraft
2.3. Konstruktion des Verspannmechanismus
2.4. Vergleich und Vorauswahl der Spannhaken-Varianten
2.5. FEM-Analyse Borosilikatglas-Außenzylinder
3. Weiterentwicklung von Boden und Deckel inklusive Kostenreduktion
3.1. Entwicklung und Konstruktion
Fertigungsverfahren
Boden des Borosilikatglasboilers
Deckel des Borosilikatglasboilers
Abdichtung des inneren Borosilikatglaszylinders
Konstruktionsanpassungen zur weiteren Kostenreduzierung
Materialauswahl unter der Betrachtung der Kosten
Zusammenfassung der Konstruktion und Entwicklung
3.2. Klebeverbindung
3.3. Berechnungen
Klebeverbindung des äußeren Borosilikatglaszylinders an dem Boden
Befestigung des Borosilikatglasboilers an dem Bodenblech mittels Schrauben
3.4. Überschlägige Kostenrechnung
3.5. Festigkeitsnachweis: Boden und Deckel
FEM-Analyse Boden
FEM-Analyse Deckel
Fazit der FEM-Analysen für Deckel und Boden
4. Weiterentwicklung des Bodenbleches
4.1. Randbedingungen für das Bodenblech
4.2. Versteifung des Bodenblechs
4.3. Ausführungen des Bodenblechs
4.4. FEM-Berechnungen
4.5. Auffangbehälter
5. Boilernahe Elemente
6. Brühgruppenaufnahme
6.1. Mechanische Anbindung der Brühgruppe an den Brühturm
6.2. Platzierung der Magnetventile
Variante 1: Brühgruppennah
Variante 2: Brühgruppenfern
6.3. Anschlussart
Anbindung von Schmutz- und Warmwasserleitungen an die Brühgruppe
Verschlauchung der Magnetventile
Verwendete Verbindungsstücke
7. Arbeitsteil Brühturm und Arbeitsfläche
7.1. Konzeptfindung Brühturm
7.2. Konzeptfindung Arbeitsfläche
7.3. Finales Konzept und Zusammenfassung
8. Schaltelemente
8.1. Das Druckverfahren
8.2. Konzepte
Hebel
Taster
8.3. Konstruktion
Ausarbeitung Hebel
Ausarbeitung Taster
8.4. Kosten
9. Ausblick/Fazit

Dateien

Datei:00 20210214 Bericht Espressomaschine mit Borosilikatglasboiler.pdf