Style-Global:Tank
Felix Kistler, 07.11.2023
Wie beim Glasboiler sollen die Tanks aus der Konstruktion der 1-Zylinder-Maschine übernommen und vervielfältigt werden. Die 2-Zylinder-Maschine verfügt über drei baugleiche Tanks, die symmetrisch vor den beiden Boilern auf der Bodenplatte angeordnet werden. Die drei Tanks sind über eine Rohrleitung miteinander verbunden. Der linke Tank verfügt über den Sensor für den minimalen Füllstand und der rechte Tank verfügt über den Sensor für den maximalen Füllstand. Die für den Füllstandssensor vorgesehene Bohrung im Tankboden des mittigen Tanks wird nicht benötigt und soll mit einem Blindstopfen verschlossen werden. Die Tanks sollen in Serie vormontiert werden.
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 Tankdeckel sind zu konstruieren
- Der Prozess zur Verklebung der Glaszylinder des Tanks mit den PVDF-Tankboden ist zu definieren, erproben und dokumentieren
- Die Tankböden sind zu vereinheitlichen. EIne Unterscheidung zwischen links und rechts ist nicht erforderlich.
Erik Reitsam, 18.09.2022 (Abschlussbemerkung)
Die Konstruktion der Baugruppe Tank ist abgeschlossen.
Die Anforderungen an die Konstruktion des Tanks sind in dem Eintrag vom 22.06.2022 dokumentiert. Eine detaillierte Beschreibung der Konstruktion des Tankbodens sowie der Wahl der Schrauben und Gewindeeinsätze befindet sich in dem Eintrag vom 19.07.2022.
| Bauteil | Artikelnummer | Stck. |
|---|---|---|
| Borosilikatglasrohr | 1 | |
| Tankboden | 1 | |
| M4 Gewindeeinsatz | 347 000 040 500 | 4 |
| M5 Gewindeeinsatz | 348 000 050 500 | 2 |
| Steckverbinder (ELSA-Winkel-Einschraub-Verschraubung) | 930P3-6ff-M5 | 1 |
| Niveausonde | 390199-03M | 1 |
| Senkschraube ISO 10642 - M4 x 12 - A2-70 | 4 |
Der Tankdeckel wurde noch nicht konstruiert. Ein Designentwurf ist dafür auch noch nicht vorhanden.
Der Tankboden wird mit dem Borosilikatglas Rohr verklebt. Dazu wird eine Kleberaupe auf der horizontalen Fläche des Kreisringausschnitts des Tankbodens sowie auf der Stirnseite des Glasrohres aufgebracht. Das Rohr wird dann in den Ausschnitt eingesetzt, sodass die Stirnseite des Rohres auf die Klebstoffraupe trifft. Die Klebeverbindung muss stirnseitig erfolgen, da aufgrund der großen Fertigungstoleranzen eine radiale stoffschlüssige Klebeverbindung wegen des zu großen Spalts zwischen Rohr und Ausschnitt nicht möglich ist.
Alle Gewindeeinsätze werden von unten mit dem Tankboden verschraubt, bis deren Unterseite bündig mit der Unterseite des Tankbodens abschließt. Zur Befestigung des Tanks mit der Bodenplatte und dem Anbindungsrahmen werden 4 Senkschrauben ISO 10642 – M4 x 12 – A2-70 verwendet. Die Schraubverbindung zwischen Tank und Bodenplatte muss nicht nachgerechnet werden, da die Belastungen, die auf die Schraubverbindungen wirken, gering sind. Es wirkt im Wesentlichen die Gewichtskraft des Tanks mitsamt der Tankfüllung senkrecht nach unten. Die Gewichtskraft wird von der Bodenplatte abgefangen, da aufgrund des kleinen Ausschnitts in der Bodenplatte der Tank mit einem Großteil seiner Grundfläche steht. Mit einer Durchbiegung des Tankboden ist daher nicht zu rechnen. Eine nennenswerte Krafteinwirkung in horizontaler Richtung an der Oberkante des Tanks ist bei normaler Nutzung der Espressomaschine nicht zu erwarten.
Der Tank wird auf die Bodenplatte aufgesetzt und beides wird mit den Senkschrauben verschraubt. Die Niveausonde und die Winkel-Einschraub-Verschraubung werden danach von unten in die M5 Gewindeeinsätze des Tankbodens eingeschraubt. Zur Wartung können so die Niveausonde und die Einschraub-Steck-Verbindung auch ohne Demontage des Tanks getauscht werden. Der Tankdeckel soll so konstruiert werden, dass er ohne den Gebrauch von Werkzeug aufgesetzt, bzw. abgenommen werden kann. Somit kann der Tank von Innen gereinigt werden, ohne dass einer Demontage bedarf.
Erik Reitsam, 19.07.2022
Zur Reduzierung der Variantenvielfalt und der Vereinfachung der Logistik, sollen möglichst wenige verschiedene Schraubentypen verwendet werden. Es sind entweder Zylinderschrauben ISO 4762 oder Senkschrauben ISO 10642 zu verwenden. Eine geringe Bauhöhe und ein geringer Durchmesser des Tankdeckels werden deshalb angestrebt. Um den Tankboden mit Schrauben zu befestigen, sind Gewindeeinsätze zu verwenden. Die voraussichtlichen Herstellkosten des Tankbodens für die Stückzahlen 1 und 10 sollen ermittelt werden.
Zur Befestigung des Tanks werden M4 Senkkopfschrauben verwendet. Es gibt M4 Gewindeeinsätze der Firma Kerbkonus mit Schneidbohrungen in der Länge 6 bzw. 8 mm. Um Kosten zu sparen wird das Volumen des Tankbodens möglichst gering gehalten, daher wird die kürzere Variante mit 6 mm Länge verwendet. Der Hersteller gibt für diesen Gewindeeinsatz (Artikel Nr. 347 000 040 800) eine Mindest-Bohrlochtiefe bei Sacklöchern von 8 mm an. Der Durchmesser der Aufnahmebohrung soll für den Gewindeeinsatz zwischen 5,4 mm und 5,6 mm liegen. Die Sacklochbohrung ist mit einem Durchmesser von 5,5 mm ausgeführt. Aufgrund des V-förmigen Bohrer Kopfs muss ein Kegelförmiger Ausschnitt mit 1,7 mm Höhe berücksichtigt werden. Dadurch ergibt sich zwischen Unterkante des Tanks und dem tiefsten Punkt der Bohrung ein Maß von 9,7 mm. Um Undichtigkeiten aufgrund von Fertigungs- oder Montagefehlern vorzubeugen, wird die Höhe des Tankbodens auf 11 mm definiert. Somit ergibt sich eine Wandstärke von 1,3 mm zwischen Bohrung und Tankbodenoberkante. Bei der Konstruktion der Aufnahmebohrungen für die Gewindeeinsätze ist der Richtwert für den Kantenabstand zu berücksichtigen. Der Hersteller empfiehlt für Kunststoffe mindestens einen Kantenabstand vom 0,25- bis 0,9-fachen des Gewindeeinsatz-Nenndurchmessers. der Gewählte M4 Gewindeeinsatz hat einen Nenndurchmesser von 6 mm. Der Kantenabstand sollte daher größer 1,5 mm bis 5,4 mm sein. Der Kantenabstand der Aufnahmebohrungen zum Ausschnitt für das Glasrohr beträgt in der Konstruktion 4,5 mm und erfüllt somit diese Anforderung.
Zur Befestigung des Tanks mit der Bodenplatte und dem Anbindungsblech werden M4 Senkkopfschrauben mit 12 mm Schraubenlänge verwendet. Die Schraubenlänge der Senkkopfschrauben ergibt sich aus der Länge des Gewindeeinsatzes (6 mm), der Wandstärke der Bodenplatte (4 mm) und der Wandstärke des Anbindungsrahmens (2 mm). Dafür müssen die Bohrungen an der Anbindungsplatte von unten gesenkt werden. Die Senkung für M4 Senkkopfschrauben hat einen Durchmesser an der Oberfläche von 9,2 mm. Die Senkung ist 2,1 mm tief, weshalb auch die Bohrungen der Bodenplatte um 0,1 mm angesenkt sein müssen.
Für den ELSA Winkel-Einschraub-Verbinder mit einem M5 Außengewinde und für die Niveau Sonde der Firma AVS Römer wird je ein M5 Gewindeeinsatz (Artikel Nr. 347 000 050 800) der Firma Kerbkonus verwendet.
Die voraussichtlichen Herstellungskosten des Tanks wurden über das Kostenkalkulationstool der Website Xometry.eu [Lieferant 37] ermittelt.
| Stückzahl | Herstellkosten / Stück |
|---|---|
| 1 | 114,70 € |
| 10 | 34,20 € |
| 100 | 15,- € |
Erik Reitsam, 05.07.2022
Der Tankboden liegt auf der Bodenplatte auf, weshalb die Verschraubung außerhalb des Glaszylinders nicht mehr notwendig ist. Um Platz und Kosten zu sparen, wird der Bund, in dem aktuell noch die vier Befestigungsbohrungen platziert sind, verkleinert. Somit ist der Durchmesser des Tanks nur noch 4 mm größer als der des Glaszylinders mit dem höchsten toleranzbedingtem Abmaß. Die Bohrungen für die Schrauben werden mit möglichst großem Abstand zueinander im inneren des Ausschnitts für den Glaszylinder angebracht. Der Bohrkreisdurchmesser beträgt nun 76 mm.
Die benötigte Schraubengröße wurde anhand einer Auslegungsrechnung nach Kübler ermittelt. Der Glaszylinder erfährt außer der vertikalen Belastung aufgrund der Gewichtskraft des Wassers im normalen Gebrauch keine zusätzliche Belastung. Die maximale Belastung wurde mit 50 N festgelegt, die horizontal an der Oberkante des Tanks wirken. Diese Belastung tritt auf, wenn ein schwerer Gegenstand gegen den Tank gelehnt wird. Über das Momentengleichgewicht ergibt sich für diesen Belastungsfall eine Betriebskraft von 142 N auf eine Schraube. Hierfür wurde angenommen, dass in diesem Belastungsfall der Drehpunkt an der Unterseite der gegenüberliegenden Bohrung liegt. Die Klemmlänge von 7 mm ergibt sich aus der Bodenplatte (4 mm), dem Anbindungsrahmen (2 mm) und einer Unterlegscheibe (1 mm). Daraus resultiert ein erforderlicher Spannungsquerschnitt von 4,1 mm^2. Somit können M3 Schrauben mit einem Spannungsquerschnitt von 5,03 mm^2 verwendet werden. Das bietet sich an, da je nach verfügbarem Gewindeeinsatz somit Schrauben mit den gleichen Abmaßen genutzt werden können, wie sie aktuell im Glasboiler verwendet werden.
Erik Reitsam, 29.06.2022
Laut der Duran Broschüre der Firma Schott haben sich die Toleranzen der Duran Röhren geändert. Die neuen Toleranzen betragen +- 1,4 mm auf Außendurchmesser von 105 mm und +- 0,4 mm auf Wandstärken von 5 mm. Somit haben sich die minimalen und maximalen Außendurchmesser zu 103,6 mm und 107,1 mm geändert. Die die davon abhängigen Innendurchmesser liegen nun zwischen 92,1 mm und 97,2 mm. Hierbei ist die Rundheitstoleranz von 0,735 mm bereits berücksichtigt.
Der Tankboden orientiert sich am Design des Boilerbodens. Der Tankboden liegt auf der Bodenplatte auf. Die Bodenplatte weist eine durchgehende Aussparung für beide Anschlüsse (ELSA Einschraub-Verschraubung und Temperatursensor) auf. Für die Tank Befüllung und Entleerung ist eine Durchgangsbohrung vorgesehen, in der ein Gewindeeinsatz der Firma Kerbkonus eingebracht ist. Hierfür wird der gleiche Gewindeeinsatz verwendet, der auch bei der Brühgruppe verwendet wird. Für den Füllstandssensor wurde sich an dem Glasboiler orientiert. So werden am Tank auch G1/4 Gewindemuffen der Firma Heco verwendet. Der Tankboden weist einen 4 mm tiefen Ausschnitt für das Glasrohr auf. Zum Verkleben wird der Glaszylinder stirnseitig mit Klebstoff benetzt und anschließend in den Ausschnitt eingesetzt. Der Tankboden wird mit der Bodenplatte und dem Anbindungsrahmen von unten Verschraubt. Dafür sind vier Bohrungen von unten in den Tankdeckel eingebracht, in die jeweils Gewindeeinsätze eingebracht werden.
Erik Reitsam, 22.06.2022
Die Schott Duran Glaszylinder mit 105 mm Außendurchmesser weisen laut Hersteller eine Außendurchmessertoleranz von +- 1,7 mm auf. Die Wandstärke von 5 mm ist mit +- 0,7 m toleriert. In der Worst-Case Betrachtung ist davon auszugehen, dass der Innendurchmesser eines Duran Glaszylinders die kleinstmögliche Abmessung aufweist. Um die maximale Abweichung vom idealen Durchmesser zu ermitteln, wird eine Toleranzanalyse durchgeführt. Es werden somit alle Toleranzen aufsummiert und vom idealen Durchmesser abgezogen. Eine Zunahme der Wandstärke bei gleichzeitiger Abnahme des Außendurchmessers und Rundheitsabweichung stellt hier den Worst-Case Fall dar. Somit ergibt sich ein kleinst-möglicher Innendurchmesser von 91,8 mm. Der maximale Innendurchmesser entspricht 98,1 mm. Außendurchmesser können zwischen im Bereich zwischen 103,3 mm und 106,7 mm liegen.
Der Tank wird über einen Tankboden mit der Bodenplatte verbunden. Der Tankboden wird CNC-gefertigt und besteht aus PVDF. Am Tankboden muss ein ELSA Anschluss und ein Füllstandsmessstab befestigt werden. Das Glasrohr wird stirnseitig mit dem Tankboden verklebt. Die Klebefläche am Tankboden ist durch einen Bund auf der Innenseite des Rohres und einen Bund an der Außenseite des Rohrs begrenzt. Der Tankboden wird mit vier Schrauben an der Bodenplatte befestigt.
Felix Kistler, 31.03.2022
Ergebnis der Angebotsanfragen:
| Teil | Stückzahl | Preis pro Stück (EUR) |
|---|---|---|
| Schott Duran Glaszylinder Enden beidseitig offen, Kanten trenngeschliffen und feuerpoliert |
2 | 40,00 |
| 20 | 34,80 | |
| DURAN GLS 80 Laborflasche Volumen 1000 ml, Glasgewinde GLS 80 Boden abgetrennt und geschliffen |
2 | 40,00 |
Mehr Informationen zu den Toleranzen und Ovalitätsabweichungen der Schott-Glaszylinder finden sich im Produktkatalog.
| Teil | Stückzahl | Preis pro Stück (EUR) |
|---|---|---|
| Weithalsglasflasche 1200ml GL 100 o.Kap. D. 100x3mm; Höhe 210+1-3mm; ohne Teilung |
2 | 172,90 |
| 20 | 138,32 | |
| Schraubgewinde-Kappen Gl100 PTFE-Dichtung aus PP, weiß |
2 | 40,23 |
In weiterer Rücksprache wurde definiert, dass eine umgedrehte Laborflasche mit abgetrennten Boden keine Option für den Tank ist, da die Flasche dafür unbedruckt und ohne Markierungen sein muss. Des Weiteren waren keine weiteren Informationen oder Datenblätter zu den zugehörigen Verschlusskappen verfügbar.
Generell kann gesagt werden, dass das Glasrohr mit Gewinde keinen Mehrwert im Gegensatz zum verklebten Glaszylinder ohne Gewinde hat, sofern sich damit die Tanks zur Reinigung nicht deutlich leichter entnehmen lassen. Noch dazu kommt, dass die Glasrohre mit Gewinde im Vergleich deutlich teurer im Einkauf sind. Damit sollten die Tanks wie in Option 1 dargestellt mit dem gewindelosen Glaszylinder von Gassner Glastechnik und einem verklebten Drehteil aus PVDF oder Edelstahl deutlich günstiger zu entwickeln und fertigen sein. In dieser Ausführung sind die Tanks dann ausschließlich vom Service zur jährlichen Reinigung beziehungsweise nach einem Wasserdurchsatz von X Litern entnehmbar und nicht vom Benutzer selbst.
Durch die oben genannten Gründe wurde entschieden, für die Wassertanks die gewindelosen Glaszylinder von Gassner verwenden. Die angebotenen Teile von Neubert-Glas kommen nicht weiter in Frage.
Felix Kistler, 26.03.2022
Da das Volumen des Boilers 2,4 Liter beträgt und je Maschine je zwei Wassertanks vorgesehen sind, muss das minimale Volumen je Tank 1,2 Liter betragen.
Je Maschine werden 2 Glasrohre mit 95 mm Innendurchmesser und 5 mm Wandstärke benötigt. Die Maximalhöhe des Tanks soll 210 mm betragen, da sind die Höhe des Deckels und gegebenenfalls die Höhe des Gegenstücks mit eingerechnet. Je nach gewählter Option muss die jeweilige Höhe des Glaszylinders dann noch definiert werden.
Der Tank soll zur Reinigung im Ganzen entnehmbar sein und aus der Fassung in der Grundplatte herausgeschraubt werden können. Das Gegenstück, mit dem der Tank in der Grundplatte befestigt wird, benötigt zwei 1/4 Zoll-Bohrungen für die Füllstandsensoren sowie eine 1/8 Zoll-Bohrung für den Wasserzulauf. Für die Dichtung des Zulaufs ist eine handelsübliche ELSA-Verschraubung des Herstellers AVS Römer vorgesehen.
Für Ausführung der Wassertanks in der Maschine gibt folgende zwei Optionen:
In Option 1 soll das Gegenstück entweder ein Drehteil aus Edelstahl werden, das mit dem gewindelosen Glasrohr verklebt wird und dann über eine Fassung in die Grundplatte eingeschraubt wird. Die Dichtung erfolgt über einen integrierten Rundschnurring im Drehteil und im Deckel. Wichtig hierbei ist, dass das Glasrohr an der Stirnseite und nicht wie eingezeichnet an der Seitenfläche verklebt wird, da ansonsten durch die Toleranz- und Ovalitätsabweichungen des Borosilikat-Glases das Glasrohr nicht wasserdicht wird.
In Option 2 soll es ein Kunststoff-Gegenstück sein, das zu dem Gewinde des Zylinders passt und bestenfalls zugekauft werden soll. Optionale Gewindegrößen aus Borosilikatglas sind entweder GL45 oder GL100, wobei das Gewinde GL100 laut Aussage des Zulieferers Gassner Glastechnik sehr teuer sein wird. Für das Gewinde GL45 ist eine Verschlusskappe aus Kunststoff als Zukaufteil verfügbar, die bereits über drei Bohrungen verfügt. Anstatt des Deckels in Option 2 wäre auch noch ein nach oben hin geschlossenes Glasrohr mit Gewinde denkbar. Hierbei muss jedoch im Laufe der Entwicklung evaluiert werden, ob sich das einseitig geschlossene Glasrohr durch die geringe Öffnung ausreichend reinigen lässt. Des Weiteren wäre die Variante mit dem oben geschlossenen Glaszylinder ausschließlich geeignet, sofern die Maschine über einen Festwasseranschluss verfügt und der Benutzer die Tanks nicht manuell befüllen muss.
Generell haben diese Rohre aus Borosilikat-Glas fertigungsbedingt bis zu 1,5 mm Toleranzabweichung im Durchmesser sowie Unregelmäßigkeiten in der Ovalität. Das muss bei der Auslegung und Konstruktion der Gegenstücke unbedingt berücksichtigt werden.
Eine Angebotsanfrage bei Gassner Glastechnik für eine Kostenkalkulation beider Ausführungen sowie eine Anfrage nach Datenblättern für Rohre und Rohrgewinde läuft bereits. Zusätzlich wurde bei Neubert-Glas der Preis für Gewinderohre aus Borosilikat-Glas mit dem Glasgewinde GL100 und passenden Verschlusskappen als Zukaufteil angefragt.
Armin Rohnen, 15.03.2022
Als Wassertank soll ein weiterer Zylinder mit Deckel verwendet werden. Es gibt handelsübliche Borosilikatrohre mit 95 mm Innendurchmesser und einem Glasgewinde.