Style-Global:Brühturm

Armin Rohnen, 19.07.2023

Aus der von Felix Kistler durchgeführten Analyse für die erforderlichen Arbeitspakete an der Glasboilermaschine ergiben sich die noch offenen Themen:

• Die Brühgruppenabdeckung ist als 3D-Druck-Bauteil so zu konstruieren, dass eine Individualisierung der MAschine darüber erfolgen kann. Aus Kostnegründen sind dabei möglichst kleine Volumina der erforderlichen Druckräume anzustreben.
• In die Brühgruppenabdeckung sind das Display und die Bedientasten zu integrieren.

Felix Kistler, 21.06.2023

Aufgrund eines Konstruktionsfehlers im Halteblech der Brühgruppe muss die Schnittstellendefinition angepasst werden. Damit ändert sich die Position der Bohrungen für die Verschraubung der Brühgruppe mit dem Halte- und Versteifungsblech. Außerdem muss im Halteblech eine Aussparung für die Siebträger-Flügel angebracht werden, da sich der Siebträger sonst nicht einspannen lässt. Die neue Schnittstellendefinition für die Glasboiler- und Labormaschine ist unter [98] zu finden.

Die oben beschriebenen Konstruktionsänderungen an Halte- und Versteifungsblech der Glasboiler-Maschine wurden durchgeführt und die verbesserten CAD-Dateien auf dem Wiki abgelegt.

Armin Rohnen, 20.09.2022

Der Brühturm muss an die Gegebenheiten der freitragenden Brühgruppe angepasst werden. Die von durchgeführte Schraubenauslegung vom 27.07.2022 ist zu hinterfragen. Insbesondere ist die Lastannahme zu überprüfen.

Luca Kurbjuweit, 30.07.2022 - Montageanleitung

Insgesamt werden als Zukaufteile benötigt:

Zukaufteile

Normteil	Anzahl	Ausführung
Schraube M6x25	4	ISO 4762
Schraube M4x25	4	ISO 4762
Mutter M4	4	ISO 4032
Spannstift 4 mm	11	ISO 8752
Spannstift 4 mm	4	ISO 8752
Edelstahl Blindniete 4 mm	16	(für Brühgruppe)
Schraube M4 Senkkopf	16

Montageanleitung

Montage des unteren Verbindungsstücks auf der Bodenplatte

Das untere Verbindungsstück wird mit vier M6 Schrauben an der Bodenplatt festgeschraubt. Zur Kraftübertragung werden zusätzlich vier Spannstifte eingesetzt.

Montage des Brühturms

Der Brühturm wird von oben in das Verbindungsstück eingesetzt. Danach werden die Teile mit vier Spannstiften miteinander fixiert. Der Turm steht dabei nicht direkt auf der Bodenplatte auf (aus Gründen der Fügbarkeit nach der Fertigung).

Aufstecken des Halteblechs

Als nächster Schritt wird das Halteblech auf den Brühturm gesteckt. Der Siebträgerhalter und Brühgruppeneinsatz sollte dabei bereits (bis auf die vier Schrauben auf der 3 und 9 Uhr Position) mit dem Blech verschraubt sein.

Fixieren des oberen Verbindungsstücks

Anschließend wird das obere Verbindungsstück mit drei Spannstiften am Brühturm befestigt. Auch hier liegt der Turm nicht direkt auf dem Verbindungsstück auf. Die Stifte sollten so weit wie möglich eingeklopft werden.

Befestigen des Versteifungsblechs

Als letzter Schritt wird das Versteifungsblech befestigt. Hierfür werden das Versteifungsblech und das Halteblech mit vier M4 Schrauben und den zugehörigen Muttern verschraubt. Anschließend werden die vier Spannstifte eingesetzt. An der Vorderseite erfolt die Verschraubung des Versteifungsblechs mit der Brühgruppe mithilfe der vier, bisher noch nicht eingesetzten, M4 Senkkopfschrauben der Brühgruppe.

Luca Kurbjuweit, 27.07.2022 - Schnittstelle mit Bodenplatte

Nach Abschluss der Schraubenauslegung wurde die Schnittstelle mit der Bodenplatte des Gehäuses fixiert.

Dabei kommen vier Schrauben M6, sowie vier Spannstifte mit Nenndurchmesser 4 mm auf einem 66 mm Lochkreis zum Einsatz. Die Spannstifte sind auf 6, 12, 3, 9 Uhr Position von der Maschinenfront aus platziert. Dazwischen sitzen, im jeweils 45° Winkel zu den Positionen der Stifte, die vier Schrauben. Somit wird eine gleichmäßige Kraftübertragung und Belastung der Schrauben gewährleistet.

Luca Kurbjuweit, 27.07.2022 - Schraubenberechnung für unteres Verbindungsstück und Scherkraft auf Stifte

Die Detail-Auslegung der Schraubenverbindung wurde für das untere Verbindungsstück durchgeführt. Dabei wurden aktualisierte Lastannahmen zugrunde gelegt, welche die Berechnungen des Wiki-Eintrags zur vorläufigen Schraubenauslegung vom 29.06.2022 ersetzen. Das Ergebnis ist die Verwendung von vier M6-25 Zylinderkopschrauben in einer 45° Anordnung um die Brühturmmitte. Bei der Berechnung wurden zwei Lastfälle betrachtet. Dabei handelt es sich beim ersten Lastfall um die Auswirkung der vertikalen Belastung mit 100 N am Siebträgerende, sowie das seitliche "Kippen", verursacht durch einen horizontalen Kraftangriff mit 75 N.

Lastfall 1: vertikaler Kraftangriff

Bei einer Aufteilung dieser resultierenden Kraft auf die beiden hinteren Schrauben ergibt sich eine Einzelkraft pro Schraube von

Vorauslegung mit Klemmlänge 20 mm)

Hieraus resultiert die Verwendung einer M6 Schraube (Spannungsquerschnitt M6: 20,1 mm²)

Über die Nachgiebigkeiten der Schraube und der verspannten Teile wird nach Roloff/Matek [62] das erforderliche Anzugsmoment ermittelt.

Nachgiebigkeit der Schraube

Nachgiebigkeit der Teile

Für die Bestimmung der Nachgiebigkeit der Teile wird ein Ersatzdurchmesser benötigt.

Woraus die Nachgiebigkeit der Teile ergibt

Die Bestimmung des Setzkraftverlusts erfolgt über das Kraftverhältnis

und ergibt sich zu

woraus sich im Weiteren die Montagevorspannkraft ergibt

Damit ergibt sich das Montageanzugsmoment zu

Lastfall 2: horizontaler Kraftangriff "Kippen"

Analog zu Lastfall 1 wird die Auslegung bei Kippen des Brühturms durchgeführt.

Bei zwei Schrauben pro Seite ergibt sich eine Schraubenkraft

Daraus folgt für die Vordimensionierung

Lastfall 2 ist somit bedeutend kleiner als Lastfall 1. Da die Lastannahmen natürlich "idealisierte" Überlegungen darstellen und in der Praxis überlagert auftreten können, werden alle vier Schrauben als Größe M6 dimensioniert. Für Lastfall 2 wird keine Anzugsmoment-Berechnung durchgeführt, hier sollen die Schrauben analog zu Lastfall 1 montiert werden.

Scherkräfte auf Stifte

Fall 1: horizontaler Kraftangriff

Der kritische Punkt für die Stiftberechnung findet sich an der Anbindung zwischen oberem Verbindungsstück und dem Brühturm. Da sich an der Vorderseite des oberen Verbindungsstücks eine Aussparung zur Kabeldurchführung befindet, läuft die Kraftübertragung hier nur über drei Stifte.

Die verwendeten Spannstifte ISO 8752 (A2) besitzen bei Nenndurchmesser 4 mm eine Abscherkraft von 11,24 kN.

Fall 2: vertiakler Kraftangriff

Der zweite Lastfall ensteht durch vertikalen Kraftangriff am Siebträgerhalter. Da der Turm aus Gründen der Fertigbarkeit nicht direkt auf dem Verbindungsstück aufsteht, wirkt das mittlere Stiftepaar als Drehpunkt. Die resultierende Kraft wird vom hinteren Spannstift aufgefangen.

Luca Kurbjuweit, 20.07.2022 - Anpassungen durch Veränderungen an der Brühgruppe

Aufgrund konstruktiver Änderungen an der freitragenden Brühgruppe wurde der Außendurchmesser des Brühturms auf 55 mm erhöht, um eine bessere Leitungsführung zu ermöglichen. Im Zuge dessen wurden die beiden Verbindungsstücke angepasst. Außerdem werden nun zur symmetrischen Kraftweiterleitung vier Spannstifte zwischen Brühgruppe und oberem Verbindungsstück, sowie ebenfalls vier zwischen unterem Verbindungsstück und Bodenplatte verwendet

Luca Kurbjuweit, 29.06.2022 - Anpassung unteres Verbindungsstück

Das untere Verbindungsstück (Anbindung zwischen Brühturm und Bodenplatte) wurde, basierend auf einer Laborrücksprache vom 15.06.22 umkonstruiert. Dabei wurde das seitliche Profil dahingehend verändert, dass der Brühturm nun nicht mehr auf dem Verbindungsstück aufsteht, sondern direkt auf der Bodenplatte aufliegt. Die Kraftübertragung mittels Spannstiften bleibt unverändert. Aus Gründen der Korrosion sollen allerdings Spannstifte aus A2 Edelstahl und nicht aus Federstahl verwendet werden. Außerdem wurde die Schraubenverbindung auf die Bodenplatte vorausgelegt. Mit einem vertikalen Kraftangriff von 100 N am Siebträgerende ergibt sich, bei einem Hebelarm bis zur Brühturmmitte, ein resultierendes Moment von 16,6 Nm. Die daraus auf die Schraube wirkende Axialkraft liegt in der angestrebeten Montageposition bei 664 N (worst case Annahme bei einer Schraube auf der Gegenseite der Krafteinleitung und maximalem Hebelarm). Daraus kann der erforderliche Schrauben-Spannungsquerschnitt abgeschätzt werden.

Mit einem Anziehfaktor von k = 2 (ausknickender Drehmomentschlüssel) und einer Klemmlänge von 12 mm inklusive der Plattendicke des Unterbaus ergibt sich nach [42] für eine Schraube der Festigkeitsklasse 8.8 ein Qurschnitt von A_S = 11,39 mm²

Dies erlaubt die Verwendung einer M5-Schraube bei einem Sicherheitsfaktor von 1,24. Da entgegen der worst-case Annahme die Hebelwirkung im eingebauten Zustand auch durch die Spannstifte aufgefangen wird, ist dieser Faktor vertretbar.

Luca Kurbjuweit, 01.06.2022 - Fertigungskosten Verbindungsstücke

Über die Xometry Website wurde eine erste Abschätzung der Fertigungskosten für die beiden Verbindungsstücke durchgeführt. Als CNC-Frästeil beliefen sich die Kosten auf:

oberes Verbindungsstück: 79,69 €

unteres Verbindungsstück: 100,28 € (Aluminium) - 174,00 € (Messing)

Fertigungszeit: ca. 3 Wochen

Luca Kurbjuweit, 01.06.2022 - FEM Brühturm

Für den Brühturm wurde eine FEM Berechnung der Auslenkung in den gegebenen Lastfällen durchgeführt. Dabei wurde festgestellt, dass die Wandstärke des Turms auf 4 mm erhöht werden muss, aufgrund der horizontalen Auslenkung durch Torsion am Ende des Siebträgers.

Lasfall 1

Horizontale Belastung (Torsion) mit 75 N: maximale Auslenkung der Außenwand: 0,00825 mm. Daraus wurde über den entstehenden Torsionswinkel die horizontale Auslenkung am Ende der Brühgruppe berechnet. Es ergibt sich eine Auslenkung von 0,1455 mm.

Lasfall 2

Biegung bei vertikaler Belastung von 100N am Siebträgerende: maximale Auslenkung Außenwand: 0,0332. Die vertikale Auslenkung am Siebträgerende berechnet sich mit dem Biegewinkel alpha zu. Es ergibt sich eine Auslenkung von 0,0657 mm.

Gesamtauslenkung Turm und freitragende Brühgruppe

Die finale Auslenkung des Siebträgerendes setzt sich aus der Auslenkung aufgrund der Verformung des Turms und der Brühgruppe zusammen (Auslenkung durch Brühgruppe siehe Wiki Brühgruppe). Somit ergibt sich die Gesamtauslenkung zu 0,155 mm

Luca Kurbjuweit, 07.05.2022 - Ausarbeitung des Anbindungskonzepts

Anbindung des Brühturms

Die Anbindung des Brühturms an die Bodenplatte, sowie die freitragende Brühgruppe soll mittels Spannstiften und Verschraubung erfolgen.

Zwischen dem Halte- und Versteifungsblech der freitragenden Brühgruppe wurde ein Verbindungsstück konstruiert, welches das obere Ende des Brühturms aufnimmt. Durch das Verbindungsstück und die beiden Bleche verlaufen zwei Spannstifte DIN 13337 (l=16mm) zur Querkraftübertragung, sowie zwei M4x16 Schrauben zur Fixierung.

Die Kraftübertragung und Befestigung des Turms im Verbindungsstück wird an dessen oberen und unteren Ende durch drei Spannstifte DIN 13337 (l=8mm) realisiert.

Am unteren Ende mündet der Turm in einem zweiten Verbindungsstück. Dies ist ebenfalls mit zwei Spannstiften DIN 13337 (l=8mm) zur Kraftübertragung, sowie zwei Schrauben M4x10 an der Bodenplatte befestigt. Das untere Verbindungsstück soll aus optischen Gründen aus Messing gefertigt werden.

Mit dem Hebelarm der Brühgruppe und des Siebträgers ergibt sich ein resultierendes Moment um die Mitte des Brühturms:

Daraus ergibt sich die Kraft auf die beiden Spannstifte für einen Abstand zur Mittelachse von 28 mm:

Spannstifte nach DIN 13337 halten, bei einem Nenndurchmesser von 4mm, einer maximalen Scherkraft von 8kN stand. Somit ist die Dimensionierung der Stifte mehr als ausreichend. An der Turmanbindung erfolgt die Kraftübertragung, zur Positionierung des Turms, durch drei Stifte. Somit ist hier die Kraft pro Stift nochmals geringer.

Luca Kurbjuweit, 07.05.2022 - Auslenkung des Siebträgers unter Biegung

Die Auslenkung des Siebträgers bei vertikaler Krafteinleitung am Ende des Siebträgers resultiert in einem Moment am Ende des Brühturms. Für den Fall eines am Balkenende angreifenden Moments ergibt sich nach [62] für die Durchbiegung den Biegewinkel ϕ:

Aus der Geometrie des Hebelarms ergibt sich als vertikale Auslenkung bei errechnetem Biegewinkel mit b = o,028 mm. (Abbildung zeigt Seitenansicht auf Brühturm - b ist die vertikale Auslenkung des Siebträgers)

Luca Kurbjuweit, 27.04.2022 - Anbindungskonzepte Brühturm an Bodenplatte

Für die Anbindung des Brühturms an die Bodenplatte wurden unterschiedliche Anbindungskonzepte erarbeitet.

Turm: Kreisringquerschnitt

Konzept 1 Rohrverbinder

Der Brühturm endet in einem dafür konstruierten Rohrverbinder. Dieser ist mit der Bodenplatte verschraubt. Die Schrauben könnten über eine Abdeckung aus PA12 (hier in blau) versteckt werden. Die Kraftübertragung erfolgt über Stifte. Es existieren Rohrverbinder als Kaufteile, allerdings konnte bisher kein zufriedenstellendes Kaufteil gefunden werden.

Konzept 2

Auch hier kommt ein Rohrverbinder zum Einsatz. Als Anschraubpunkt wird hier allerdings die untere Platte des Elektronik-Compartments verwendet. So muss, im Gegensatz zu Konzept 1, die Anschraubung nicht mehr optisch versteckt werden. Der Brühturm ragt ohne sichtbare Anbindung direkt aus der Bodenplatte. Ein Distanzstück/Abstandsbolzen ist für die Befestigung am Boden zu verwenden, damit von unten die Verkabelung und Verrohrung in den Turm eingeführt werden kann.

Konzept 3 Rohr auf Extraplatte verschweißt

Diese Variante geht davon aus, dass das Rohr des Brühturms als Teil bereits bei der Bestellung auf einer kleinen Platte verschweißt ist. Diese kann dann, wie in Konzept 1, auf der Bodenplatte verschraubt werden. Alternativ kann die Montage auch Konzept 2 nach erfolgen.

Konzept 4 Verschweißen

Hier wird der Brühturm mit der Bodenplatte verschweißt. Durch die Position der Naht auf der Unterseite der Bodenplatte bietet dies eine optisch sehr ansprechende Lösung.

Allerdings besteht der Nachteil dieser Variante dahin, dass die verbundenen Elemente nicht mehr demontiert werden können und sie so sehr sperrig sind. Außerdem kann das Schweißen, im Gegensatz zum Verschrauben oder -nieten, nicht im Labor durchgeführt werden. Das Verschweißen als Prozess wird daher nicht in Betracht gezogen.

Turm: Rechteckquerschnitt

Konzept 1 Umbiegen der Enden

Hier werden die Enflächen des Rechteck-Rohr um 90° nach Außen gebogen. Diese werden dann an der Ober-/Unterseite der Bodenplatte verschraubt. Auch hier wird eine optische Abdeckung der Schrauben benötigt.

Alternativ kann die Anschraubung auch an der unteren Platte des Gehäuses (siehe Kreisring Konzept 2) erfolgen.

Konzept 2 Rohrverbinder

siehe Kreisring Konzept 1/2

Konzept 3 Verschweißen

siehe Kreisring Konzept 4

Armin Rohnen, 15.03.2022

Als Brühturm wird die vordere gesamte Baugruppe rund um die Brühgruppe bezeichnet. Die Skizze stellt den sichbaren Teil des Brühturms dar. Im nichtsichtbaren Bereich ergibt sich der gleiche Bauräume wie bei der Boilergruppe, der in der Version "on Table" durch einen "Gehäusekasten" verschlossen wird.

Für Brühturm und Boilergruppe ist die niedrige Bauform anzustreben.

Die Brühgruppe muss steif angebunden sein. Es ist mit den Kräften 100 N vertikal und 75 N horizontal drehend am Ende des Siebträgers zu rechnen. Die Durchbiegung bzw. Verdrehung sollte dann kleiner 0,1 mm sein.

Das Magnetventil zum Öffnen der Rückspülleitung muss nahe an der Brühgruppe positioniert sein.

Der Brühturm nimmt wie skizziert die Dampflanze und die Teewasserlanze sowie den Druck-/Drehknopf für deren Bedienung auf. Direkt zu: