Mit dem methodische Arbeiten gelöste Aufgabe
Werbung
Konstruktion 3 Entwicklung und Konstruktion eines Gerätes zur Volumenreduktion von Dosen Thorsten Breuer Jürgen Sütterlin Dozent: Prof. Dr. E. Hettesheimer Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ‘98 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin 1. Inhaltsverzeichnis 1. INHALTSVERZEICHNIS.......................................................................................................................... 2 2. PROBLEMSTELLUNG ............................................................................................................................. 4 3. AUFGABENSTELLUNG ........................................................................................................................... 5 4. ANFORDERUNGSLISTE .......................................................................................................................... 6 5. BEGRIFFSDEFINITIONEN ...................................................................................................................... 7 5.1 5.2 5.3 5.4 KOORDINATENSYSTEM UND DOSENELEMENTE .......................................................................................... 7 MÖGLICHKEITEN DER KRAFTEINLEITUNG .................................................................................................. 7 AUFBAU UND ZUSAMMENSETZUNG VON WEIßBLECH ................................................................................ 8 DOSENARTEN ............................................................................................................................................ 8 6. BEOBACHTUNGEN IN DER NATUR .................................................................................................. 10 7. KONKURRENZPRODUKTE .................................................................................................................. 11 8. VORVERSUCHE ...................................................................................................................................... 12 9. BLACK BOX ............................................................................................................................................. 15 9.1 10. VOLUMENREDUKTIONSVERFAHREN............................................................................................. 17 10.1 10.2 10.3 11. BESCHREIBUNG DER SYSTEMGRÖßEN ...................................................................................................... 16 GEGENÜBERSTELLUNG DER REDUKTIONSVERFAHREN ........................................................................ 18 AUSWAHL DER REDUKTIONSVERFAHREN............................................................................................ 24 LISTE DER SINNVOLLEN LÖSUNGSVERFAHREN .................................................................................... 25 LÖSUNGSPRINZIPIEN ........................................................................................................................... 26 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6 EINDRÜCKEN (ZUSAMMENDRÜCKEN) ................................................................................................. 26 GESENKFORMEN ( EINPRESSEN IN EINE FORM ) .................................................................................. 28 SCHNEIDEN ......................................................................................................................................... 30 REIßEN ................................................................................................................................................ 33 WALZEN ............................................................................................................................................. 34 BEWERTUNG DER LÖSUNGSPRINZIPIEN ............................................................................................... 37 12. FUNKTIONSSTRUKTUR ....................................................................................................................... 39 13. MORPHOLOGIE FÜR DAS LÖSUNGSPRINZIP: PRESSEN MIT SCHNEIDEN .......................... 40 13.1 13.2 13.3 14. ERMITTLUNG DER OPTIMALEN SCHNEIDENFORM .................................................................. 46 14.1 14.2 14.3 15. PROBLEMELEMENTE ........................................................................................................................... 40 LÖSUNGSKOMPONENTEN .................................................................................................................... 40 ERLÄUTERUNGEN ZU VERSCHIEDENEN LÖSUNGSKOMPONENTEN ....................................................... 42 VERSUCHSBEWERTUNG ...................................................................................................................... 46 ERMITTLUNG DES OPTIMALEN ANSCHNITTS ........................................................................................ 46 ERMITTLUNG DER OPTIMALEN SCHNEIDENLAGE ................................................................................. 47 LÖSUNGSALTERNATIVEN .................................................................................................................. 50 15.1 15.2 BESCHREIBUNG DER LÖSUNGSALTERNATIVEN.................................................................................... 51 BEWERTUNG DER LÖSUNGSALTERNATIVEN ........................................................................................ 52 16. DESIGNVORSCHLAG GEHÄUSE ........................................................................................................ 53 17. BERECHNUNG KRITISCHER BAUTEILE ......................................................................................... 54 FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 2 / 66 Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ‘98 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin 18. SICHERHEIT / PERSONENSCHUTZ ................................................................................................... 60 19. ERKLÄRUNG ........................................................................................................................................... 61 20. ANHANG ................................................................................................................................................... 62 20.1 20.2 20.3 20.4 LITERATURLISTE ................................................................................................................................. 62 STÜCKLISTE ........................................................................................................................................ 64 ZEICHNUNGSLISTE .............................................................................................................................. 65 ZEICHNUNGEN .................................................................................................................................... 66 Titelbild : Konservendose vor und nach Verpressung durch axiale Kräfte FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 3 / 66 Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ‘98 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin 2. Problemstellung Ein großer Vorteil von Dosen als Verpackungsmaterial besteht darin, daß Dosen bei großem Volumen und geringer Masse trotzdem eine stabile Verpackung gewährleisten. Genau diese Eigenschaften sind es jedoch, die sich bei der getrennten Sammlung von Dosenabfällen als Problem erweisen. Hierbei steht das anfallende Müllvolumen in keinem Verhältnis zur Müllmasse. Würden sämtliche Dosenabfälle bereits in den Haushalten in ihrem Volumen reduziert, wäre es möglich, die Anzahl der nötigen Transporte für Recyclingabfälle ebenfalls zu verringern. Allein durch zusammendrücken wurde in den Vorversuchen eine Volumenreduktion von 78% erreicht (siehe Titelbild). Somit könnten Kosten eingespart und der Treibstoffverbrauch gesenkt werden, was nicht nur die Umwelt entlasten, sondern auch niedrigere Müllgebühren ermöglichen würde. Auch in Hinsicht auf die vieldiskutierte Absicht, Müllgebühren abhängig vom anfallenden Müllvolumen zu erheben, wird eine Vorbehandlung von Dosen bereits in den Haushalten interessant. Zwar wird ein Teil der Dosen vom Verbraucher vor dem Wegwerfen geknickt oder zusammengetreten, jedoch könnte die Reduktionsrate durch ein optimiertes System deutlich gesteigert werden. Volumenrelationen Volumeneinsparung 78% Restvolumen nach Pressung 22% Abbildung 1 FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 4 / 66 Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ‘98 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin 3. Aufgabenstellung Konzeption eines Gerätes zur Reduktion des Volumens von Blechdosen bis zu einem Durchmesser von 11 cm bzw. einer quadratischen Kantenlänge von 7.7 cm (= 11cm / 2) und einer Höhe von maximal 16.5 cm (0.5 l Getränkedosen). Das Gerät wird für den häuslichen Bereich konzipiert. Ob das Gerät permanent befestigt werden soll (z.B. durch Verschraubungen mit der Wand) oder ob es mobil einsetzbar bleibt, ist freigestellt. Das Produkt wird für den deutschen Markt konzipiert. Wo es ohne weiteren Aufwand möglich ist, europäische bzw. internationale Normen und Standards zu erfüllen, ist dies erwünscht. Wenn möglich, sollte ein Müllbehälter an das Gerät anschließbar sein, in den die volumenreduzierten Dosen (eventuell automatisch) ausgeworfen werden. Die Form des Behälters wird nicht näher spezifiziert. Da das Gerät auch im Bereich von offenen Lebensmitteln aufgestellt werden kann (Küche), ist auf Hygiene besonderes Augenmerk zu richten. FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 5 / 66 Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ‘98 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin 4. Anforderungsliste Lfd Nr. Sig- Art Anforderung num Änder-u ngen Geometrie G1 G2 G3 BR BR BR F F F G4 G5 SÜT SÜT F F Maximale Abmaße: - Höhe: 50 cm - Breite: 30 cm - Tiefe: 20 cm Auslegung für Dosenmaße: - 11 cm bzw. (7,7*7,7) cm - Höhe: 16.5 cm 13.2.98 13.2.98 13.2.98 29.11.97 29.11.97 Stoff St 1 SÜT F St 2 St 3 SÜT BR F F St 4 BR F M1 SÜT F M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 SÜT BR SÜT BR BR SÜT BR F F F F F F F T1 SÜT F T2 T3 T4 SÜT SÜT BR F W W Es werden ausschließlich Blechdosen für 29.11.97 Nahrungsmittel und Getränke bearbeitet Keine gesundheitsschädlichen Substanzen enthalten Lösbare Verbindungen zwischen Bauteilen aus unterschiedlichen Materialien. (Recyclingfähigkeit nach VDI 2243) Volumenreduktion mindestens 60% 29.11.97 Mensch - Produkt - Beziehung Preßraum zur Reinigung zugänglich (z.B. für eine Hand mit Lappen) Wartungsloser Betrieb (Ausnahme: Reinigung) Sicherheit nach DIN 31000, DIN 31001, VDI 2244 Ergonomiegerecht nach VDI 2242 Selbsterklärende Funktionsweise Funktionelles Design Ausgewogene Proportionen Form/Farbe signalisieren Stabilität und Zuverlässigkeit Technik / Funktion Anwendungsbereich sowohl im Haus als auch im Freien Keine toxischen Substanzen enthalten Anschluß eines Müllbehälters Automatischer Auswurf in Müllbehälter Sonstiges S1 SÜT S2 BR S3 BR F: Forderung W F W Funktionsmodell Abgabetermin Dokumentation 03.07.1998 Abgabetermin Funktionsmodell: 03.07.1998 W: Wunsch FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer 29.11.97 11.06.98 11.06.98 Seite 6 / 66 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ‘98 5. Begriffsdefinitionen 5.1 Koordinatensystem und Dosenelemente axial Gerätekoordiantensystem Z Deckel oberer Rand X radial Y Abbildung 2 Mantel unterer Rand Boden Abbildung 3 5.2 Möglichkeiten der Krafteinleitung Geometrisch betrachtet handelt es sich bei einer Dose meistens um einen Hohlzylinder. Somit kann eine Krafteinleitung in zwei Hauptrichtungen erfolgen: a) radial ( Andere Bezeichnungen: Horizontale Kraft, Querkraft ) b) axial (Andere Bezeichnungen: Vertikale Kraft, Längskraft ) Mitunter sind auch quaderförmige oder andersartig geformte Dosen anzutreffen. Bei diesen Dosen ist eine Krafteinleitung in drei Hauptrichtungen möglich. Um das geplante Gerät jedoch auf möglichst viele Dosenformen anwenden zu können, muß im folgenden nur von zwei möglichen Hauptrichtungen ausgegangen werden. Allerdings besteht immer die Möglichkeit, eine Kraft so einzuleiten, daß ihre Wirkungslinie versetzt zu den Hauptachsen der Dose verläuft. F Abbildung 4: Wirkungslinie. Beispiel für eine versetzte F Folgende mechanische Belastungsfälle lassen sich zur Volumenänderung einer offenen Dose anwenden: - Zug - Druck - Scherung - Schub - Biegung - Torsion FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 7 / 66 Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ‘98 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin 5.3 Aufbau und Zusammensetzung von Weißblech Bei Weißblech handelt es sich um verzinntes Stahlblech. Die Dicke des Stahlblechs beträgt 0.15 bis 0.49 mm, die Dicke der Zinnschicht 0.2 bis 0.8 µm. Der Zinnüberzug dient dem Korrosionsschutz. Wegen der geringen Dicke des Zinnüberzuges können mit sehr guter Näherung für Berechnungen die Materialkennwerte von reinem Stahlblech verwendet werden. 5.4 Dosenarten 5.4.1 Getränkedosen Getränkedosen bestehen aus Aluminium und sind sog. Zweiteildosen. Boden und Mantel werden aus einem Stück durch Tiefziehen gefertigt. Zum Schluß wird der Deckel aufgesetzt und durch Umbördelung mit dem Mantel luftdicht verbunden. Schwachstellen: Probleme: E-Modul : 70 N/mm2 Extrem dünnwandig geringe Festigkeit vor allem des Mantels. Umgebördelter Rand erhöht die Stabilität. 5.4.2 Weißblechdosen Bei Weißblechdosen handelt es sich um sog. Dreiteldosen. Um den Mantel herzustellen, wird ein rechteckiger Blechstreifen zu einem Zylinder gebogen und die Enden als Stumpfstoß verschweißt. Anschließend werden Boden und Deckel aufgesetzt und die Ränder umgebördelt. Um eine höhere Festigkeit gegen Eindrücken zu erhalten, besitzen alle drei Teile häufig ein Wellenprofil. Schwachstellen: Probleme: Der Mantel läßt sich trotz Wellenprofil leicht durch Querkräfte eindrücken. Die Schweißnaht ist Zug- und Scherkräften gegenüber empfindlicher als der restliche Mantel. Durch das Umbördeln besitzt der Rand eine vierfache Blechstärke (ca. 1mm) Die Verpackungsindustrie ist aus Kostengründen bemüht, auch Weißblechdosen als Zweiteildosen herzustellen, wodurch die Verstärkung des unteren Randes entfallen würde. In naher Zukunft werden diese Dosen jedoch nicht die Dreiteildosen ablösen können. 5.4.3 Dosen aus Materialverbund Bei diesen Dosen bestehen Mantel und Boden aus Weißblech, der Deckel jedoch aus Aluminium, wodurch er sich über eine Lasche leicht abreißen läßt (Bsp.: Erdnußdosen, Sardinenbüchsen). Da der geöffneten Dose i.d.R. der Deckel fehlt, verhält sie sich unter Belastung wie eine reine Weißblechdose. 5.4.4 Stahldosen Da kein nennenswerter Unterschied in der Festigkeit zwischen reinem Stahl und Weißblech besteht (vgl. Zusammensetzung von Weißblech), kann angenommen werden, daß sich Stahldosen unter Belastung wie Weißblechdosen verhalten. Meistens werden Stahldosen eingesetzt, um giftige Substanzen wie Farben oder Lacke aufzubewahren. Diese Dosen müssen von anderem Metall getrennt gesammelt und vom Fachmann vor der Wiederverwertung gereinigt werden. Eine vorherige Verformung der Dosen wäre in diesem FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 8 / 66 Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ‘98 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin Fall störend. Ein anderes Einsatzgebiet von Stahldosen liegt bei den Druckbehältern (z.B. Spraydosen). Aus Sicherheitsgründen dürfen auch diese Dosen nicht verformt werden. Somit ist die Anwendung des geplanten Gerätes auf Stahldosen eingeschränkt. 5.4.5 Dosen aus Verbundwerkstoff Immer häufiger wird metallbeschichteter Pappkarton nicht nur als Verpackung für Flüssigkeiten eingesetzt (Tetrapack ®), sondern auch zur Fertigung von Dosen verwendet. Bei der getrennten Abfallsammlung gehören diese Verpackungen jedoch nicht in die Metallsammelbehälter. Sollte bei dem geplanten Gerät ein automatischer Auswurf realisiert werden, dürfte es nicht auf Dosen aus diesem Material angewendet werden. FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 9 / 66 Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ‘98 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin 6. Beobachtungen in der Natur In der Natur stellt sich das Problem der Volumenreduktion nur selten, da dort entweder so gebaut wird, daß eine spezielle Reduktionstechnik nicht notwendig wird, oder weil gleich mit der Zersetzung der Verpackungsmaterialien begonnen wird. So kann hier nur die Zerlegung und Zersetzung von Strukturen zur Lösungsfindung herangezogen werden. In der Natur finden sich mehrere Lösungen für das Problem der Zerlegung oder der Zersetzung von Strukturen: 1. 2. 3. 4. Oxidation Organismen Nichtoxidierende chem. Zersetzung Erosion Oxidation Häufig werden unedle metallische Stoffe unter Zuhilfenahme von Sauerstoff oxidiert, d.h. sie rosten. Hierbei ändern sich sowohl die Eigenschaften als auch die Struktur des Metalls. So ist z.B. Eisen-Rost sehr spröde und porös. Er ist nichtleitend und besitzt eine braune Farbe. Dieses Verfahren wird in der Natur zwar häufig eingesetzt, jedoch ist es für die Lösung der uns gestellten Aufgabe und in der häuslichen Umgebung viel zu langsam. Organismen Das am weitesten verbreitete Hilfsmittel zur Zerlegung und Zersetzung von Strukturen in der Natur sind die Mikroorganismen. Einige dieser Organismen trennen zuerst, meist mit ihren Freßwerkzeugen, Teile einer Struktur ab und zersetzen diese dann mit Hilfe von Säuren oder Enzymen in ihren Verdauungsorganen. Makroskopisch betrachtet zeigt sich die Arbeit der Organismen in einer Schwächung der Strukturen (z.B. durch Lochfraß) bis es zum Versagen und zum Zusammenbruch des Gebildes kommt (z.B. Termiten). Allerdings ist die technische Nutzung von Enzymen generell nur unter hohem Aufwand möglich (Einsatz von Fermentern). Nichtoxidierende chem. Zersetzung In der Natur findet man oft auch noch weitere chemische Zersetzungsmechanismen. So werden z.B. mit Hilfe von UV-Strahlung die Moleküle von organischen Stoffen so lange aufgetrennt, bis sie entweder von Mikroorganismen verwertbar, oder bis sie durch andere chemische Prozesse weiter zersetzbar sind. Auch die direkte Zersetzung z.B. mittels Säuren, die z.B. lokal vorkommen können, zeigt dort die gewünschte Wirkung. Nur die Bestrahlung mit UV-Strahlung ist hier ein neuer Aspekt. Jedoch zeigt dieses Verfahren kaum einen Erfolg bei der Anwendung auf Metalle. Erosion Durch langanhaltende Wind- oder Wasserbewegungen werden in der Natur auch feste Materialien Schritt für Schritt im atomaren Bereich abgetragen. Dies ist jedoch ein äußerst langsamer Prozeß, der erst nach Jahren bis Jahrhunderten sichtbare Wirkung zeigen kann. FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 10 / 66 Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ‘98 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin 7. Konkurrenzprodukte Um den Entwicklungsaufwand zu reduzieren und um die Leistungsfähigkeit bereits erhältlicher Systeme zu beurteilen, wurden zwei Konkurrenzprodukte untersucht und das jeweilige Reduktionsverfahren auf Tauglichkeit überprüft. 1. System Thorsten Breuer traf während seiner Bundeswehrzeit in der Hohenberg-Kaserne Horb a.N. auf ein Gerät, das ausschließlich zum Verpressen von 0,33l Getränkedosen geeignet war. Die Dose wurde senkrecht auf eine Auflage gestellt. Durch ziehen eines ca. 30cm langen Handbügels wurde ein Hebelsystem in Bewegung versetzt, das einen linear verfahrenden Stempel auf die Dose drückte und diese der Länge nach zusammenpreßte. Als Endprodukt ergab sich somit eine runde Scheibe von ca. drei cm Höhe. Da das Gerät kein Gehäuse besaß, bestand für den Benutzer stets die Gefahr, sich die Finger einzuklemmen. Das Gerät war hauptsächlich aus Flachstahl geringer Dicke (ca. 2mm) gefertigt und sah nicht sehr stabil aus. Demzufolge war es nicht verwunderlich, daß es bereits nach wenigen Wochen zerstört war. 2. System Komilitone Phillip Schückle sah auf einem Rastplatz in Holland ein System, das in einen Müllcontainer eingebaut war. Das Gerät wurde nur mit der Bedienkraft des Benutzers betätigt, der an einem hervorstehenden, ca. 50cm langen Hebel, der in der Ausgangsstellung in einem Winkel von ca. 45° nach oben stand, ziehen mußte. Hier wurde nicht der Deckel der Dose in Richtung des Bodens gedrückt, sondern die Reduktion wurde durch ein radiales Zusammendrücken der Dose erreicht. Hierbei wurde ein gerundeter Stempel, auf den die Dose gelegt wurde, nach oben in Richtung des ebenfalls gerundeten und festen Gegenstempels gedrückt. Dadurch wurde die Dose in eine ovale Form gepreßt, was zu einer Volumenreduktion von ca. 30 bis 50 % führte. Nach dem Verpressen fiel die Dose automatisch in den Container. Der notwendige Kraftaufwand wurde von dem Benutzer als ”leicht und auch für Frauen geeignet” beschrieben. Gegenüberstellung und Analyse Bei beiden Geräten wurde die Preßkraft durch die Betätigung eines Hebels, der von Hand, von oben nach unten zu ziehen war, aufgebracht und ausschließlich hierüber das Gerät mit Energie versorgt. Die rein manuelle Bedienung läßt sich mit dem geringeren Aufwand und den geringeren Kosten für das Gerät begründen. In beiden Fällen wurden die Dosen nur durch ein Verpressen ohne eine Zerteilung oder vorherige Schwächung realisiert, was wiederum durch die einfachere Konstruktion aber auch durch die Vermeidung von scharfen Kanten zu erklären ist. Die Verwendung von Stahl als Werkstoff überrascht in Anbetracht der erforderlichen Preßkräfte kaum (Siehe Vorversuche). Fazit: Beide Systeme entsprechen nicht den gestellten Anforderungen. Das erste System kann keine Weißblechdosen pressen, und beim zweiten System ist die Reduktionsrate zu niedrig. Offensichtlich ist die wahrscheinlich einfachste Methode, die Dose nur in einer Richtung zusammenzupressen, nicht ausreichend. Mit einer zusätzlichen Vorrichtung zur Schwächung der Dose könnte eines der Systeme jedoch durchaus zum Erfolg führen. FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 11 / 66 Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ‘98 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin 8. Vorversuche Im Vorfeld des Projekts wurden Dosen aus verschiedenen Materialien auf unterschiedliche Art gepreßt. Die Pressung wurde auf einer Handpresse in der Werkstatt des Fachbereichs Mechatronik der FH-Karlsruhe durchgeführt. Die Messung der aufgebrachten Preßkraft wurde anfänglich mit einer 125 Kg Personenwage mit dem Messsystem 1 (Abbildung 5) durchgeführt. Die ermittelten Preßkräfte wurden dann nach der Formel FP = m · g (m = angezeigte Masse in Kg; g = Erdbeschleunigung (9.81 m/s2)) berechnet. Hebel Stempel Auflage Dose Wage Abbildung 5 : Meßsystem mit Personenwage Da aber die Preßkraft einiger Versuche den maximalen Anzeigewert von 125 Kg der Personenwage überschritt, mußte auf ein anderes Kraftmeßsystem zurückgegriffen werden. Hierbei wurde die Personenwage aus dem System entfernt und an eine Hebelverlängerung der Presse eine Spiralfeder angebracht. Die Verlängerung dieser Feder, die mittels eines Stahlmaßstabes gemessen wurde, ist von der auf die Feder wirkende Kraft abhängig (Bild 3). Durch eine vorherige Kalibrierung der Feder konnte nun aus dem Federweg die Preßkraft errechnet werden. Die Kalibrierung der Feder wurde durchgeführt, indem bei noch untergelegter Personenwage verschiedene Preßkräfte über die Feder aufgebracht wurden und gleichzeitig der Federweg gemessen wurde (Bild 2). Feder Hebelverlängerung Stempel Feder Hebelverlängerung Stempel Auflage Auflage Dose Dose Wage Abbildung 6 : Kalibrierung der Feder FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Abbildung 7 : Meßsystem mit Feder Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 12 / 66 Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ‘98 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin Dosenmaße Nr. 1 2 3 4 5 6 7 8 Typ Weißblechdose Weißblechdose Weißblechdose Weißblechdose Weißblechdose Weißblechdose Getränkedose (Aluminium) Weißblechdose Durchmesser 8,5 cm 7,4 cm 7,4 cm 7,4 cm 7,4 cm 10,0 cm 6,3 cm Höhe 11,5 cm 10,8 cm 10,8 cm 13,0 cm 11,0 cm 11,7 cm 16,5 cm 10,0 cm 11,8 cm Tabelle 1 Versuchsbeschreibung und Ergebnisse Dose 1: Der Mantel der Dose 1 wurde vor dem Pressen auf einem Drittel der Höhe zu 1/3 radial eingedrückt. Danach wurde die Dose axial zusammengedrückt. Bei einer Kraft von 255 N knickte die Dose weiter seitlich ein und durch die nun auftretenden Versteifungen erhöhte sich die notwendige Preßkraft auf ca. 1500 N. Dose 2: Diese Dose wurde zuerst kurz oberhalb des Bodens radial mit einem Flachstempel (1cm) eingedrückt. Hierzu war eine Kraft von 295 N notwendig, um die Dose vollständig seitlich einzudrücken. Danach wurde versucht, die vorverpreßte Dose nochmals radial, nun aber mit einem großen Stempel (16*12 cm drückte auf die gesamte Dose), zusammenzudrücken, was aber bei einer Kraft von 686 N abgebrochen wurde, da die nun einsetzende Versteifung im Bereich der ersten Eindruckstelle den Sinn dieses Verfahrens in Frage stellte. Das Ergbnis dieser Verpressung war nicht zufriedenstellend, da durch die Verbiegung das Volumen nicht optimal reduziert wurde. Dose 3: Mit Dose 3 wurde, wie bei Dose 2 mit dem seitlichen Eindrücken mit einem Flachstempel begonnen, was auch die selben Resultate zeigte. Nun wurde die Dose aber anschließend axial zusammengepreßt. Auch dieser Versuch wurde bei einer Kraft von 540 N abgebrochen, als die Dose noch eine Höhe von 7,5 cm aufwies und die Verringerung des Volumens nicht zufriedenstellend war. Dose 4: Hier wurde die Dose senkrecht zu Deckel und Boden verpreßt. Da die auftretenden Kräfte weit über den Anzeigebereich der Personenwage hinaus ging, wurde die Wage entfernt und die Kräfte nun mit der Federwaage gemessen. Hierbei stellte sich heraus, daß zum senkrechten Verpressen einer großen Konservendose (Ø : 10, h : 11,8cm) eine Kraft von ca. 6000 N notwendig ist. Die verpreßte Dose zeigte nach dem Verpressen eine optimale Reduktion des Dosenvolumens. Dose 5: Dose 5 wurde ähnlich wie Dose 2 gepreßt. Jedoch wurde im ersten Teil der Pressung der Dosendurchmesser auf 2/3 der Höhe nur auf ½ des Durchmessers mit einer radialen Kraft von FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 13 / 66 Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ‘98 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin 295 N zusammengedrückt. Die nun folgende radiale Flachpressung wurde bei 980 N und einer Höhe von 1/3 des Ursprungsdurchmessers abgebrochen. Hierbei war die Volumenreduktion jedoch nicht zufriedenstellend. Dose 6: Diese Dose wurde wie Dose 4 senkrecht zu Deckel und Boden gepreßt, jedoch mit der Ausnahme, daß die obere Auflagefläche nun nicht flach war, sondern ein Flachstempel mit aufgesetztem 1cm Rundprofil. Die Anbringung des Rundprofils zeigte jedoch nicht die erhoffte Schwächung des Mantels, so daß auch hier bei Überschreitung der zulässigen Belastung der Personenwage abgebrochen wurde, da sich kein Unterschied zum Versuch mit Dose 4 zeigte. Dose 7: Dose 7 war im Gegensatz zu den anderen Dosen eine Getränkedose, die sich durch eine verminderte Wandstärke und Aluminium als Werkstoff unterschied. Die notwendige axiale Preßkraft wurde mit der Personenwage auf ca. 100 N bestimmt, die jedoch am Ende der Pressung durch die Versteifung Mantels stark anstieg. Dose 8: Hier wurden zuerst Deckel und Boden mit einem spitzen Stempel V-förmig eingedrückt und danach seitlich flach gedrückt. Zum Pressen des Deckels und des Bodens war eine Kraft von ca. 1470 N notwendig, wohingegen die seitliche Verpressung nur eine Kraft von 687 N benötigte. FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 14 / 66 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ‘98 9. Black Box Störgrößen: - Dose falsch eingelegt - Falsche Dosenform - Dose zu stabil St1 leere Dose E1 Betriebsenergie St2 volumenreduzierte Dose Dosenvolumen reduzieren S1 Startsignal E2 Energie S2 Reduktion beendet Restriktionen: - Allgemeine UVV - Siehe Anforderungsliste Abbildung 8 Symbolerklärung: Hauptumsatz Nebenumsatz relevant Nebenumsatz irrelevant FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 15 / 66 Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ‘98 9.1 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin Beschreibung der Systemgrößen 9.1.1 Stoffe St1 leere Dose: Der Stoff 1 (leere Dose) bezeichnet die Getränke- oder Konservendose, die durch das Gerät in ihrem Volumen reduziert werden soll. St2 volumenreduzierte Dose: Die volumenreduzierte Dose ist das fertige Endprodukt des Geräts. Hierbei können sowohl Abmaße, Form als auch Stoffeigenschaften verändert worden sein. 9.1.2 Energie E1 Betriebsenergie: Betriebsenergie bezeichnet die Energie, die zum Betrieb und zur einwandfreien Funktion des Gerätes notwendig ist und die inneren Teile des Geräts bewegt. E2 Energie: Unter dem Begriff Energie sind alle auftretenden Energieverluste des Geräts zu einem Begriff zusammengefaßt. Da diese jedoch nur von geringfügiger Relevanz für dieses Projekt sind und deshalb auch keine Probleme bei der Abführung dieser Energie zu erwarten ist, wird auf eine genaue Spezifizifikation verzichtet. 9.1.3 Signal S1 Startsignal: Damit das Gerät mit dem Reduktionsvorgang beginnen und ihn auch ordnungsgemäß durchführen kann, ist es notwendig ein Startsignal vorzugeben. Durch die Startsignalgabe wird der Reduktionsvorgang ausgelöst. S2 Reduktion beendet: Damit der Benutzer das Ende des Reduktionsvorganges und die Bereitschaft zum erneuten verarbeiten einer Dose erkennt, muß das Gerät ein Signal ausgeben, das dies anzeigt. FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 16 / 66 Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ‘98 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin 10. Volumenreduktionsverfahren Prinzipielle und mögliche Reduktionsmethoden und -verfahren in Bezug auf Dosen Volumenreduktion Trennen Umformen Zerteilen Schneiden Reißen Druckumfomung Abtragen Thermisch Chemisch Elektrochemisch Zugumformung Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide Sägen Hobeln Fräsen Spanen mit geometrisch unbestimmter Schneide Schleifen Walzen Eindrücken Druchdrücken Gesenkformen Schubumformung Biegeumformung Torsion Einschmelzen Zerlegen Abbildung 9 FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 17 / 66 Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ‘98 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin 10.1 Gegenüberstellung der Reduktionsverfahren Als grundsätzliche Verfahren zur Volumenreduktion von Dosen lassen sich trennende und umformende Verfahren in Betracht ziehen. Hierbei werden sowohl Massiv- als auch Blechumformverfahren berücksichtigt. 10.1.1 Schneiden Vorteile: Durch eine geeignete Wahl der Schnittlinien können Schwachstellen in der Struktur der Dose ausgenutzt bzw. geschaffen werden. Sowohl Form als auch Größe der abgeschnittenen Stücke sind nahezu beliebig. Wird die Dose in kleine Stücke geschnitten, und diese anschließend zusammengepreßt (urgeformt), läßt sich eine nahezu optimale Volumenreduktion erreichen. Nachteile: Durch das Schneiden entstehen scharfe Kanten, die zu Verletzungen führen können. Beim Schneiden von Metall, nutzen sich die Schneiden stark ab, was zu einer Verschlechterung der Schnittergebnisse und zum Anstieg der erforderlichen Schnittkraft führt. Das Auffinden der richtigen und geeigneten Schnittposition ist schwierig, da die Dosen unterschiedliche Geometrien aufweisen. Zum Schneiden bzw. zum Abscheren ist eine Gegenkraft in der Nähe der Schneide notwendig. Deshalb ist entweder eine Gegenschneide oder eine Schnittposition in der Nähe einer Versteifung der Dose notwendig. Da W = F ds, ist die notwendige Energie zum Schneiden proportional der Schnittlänge. D.h. eine energiebedarfsoptimierte Konstruktion erfordert einen erhöhten Aufwand bei der Wahl von Schnittposition und -länge. 10.1.2 Reißen Vorteile: Da das Werkzeug keine scharfen Kanten benötigt, ist die Gefahr der Werkzeugabnutzung minimal und damit vernachlässigbar. Schwachstellen in der Struktur der Dose können ausgenutzt bzw. geschaffen werden. Die Anzahl und damit die Größe der Teilstücke, in die die Dose zerrissen wird, ist nahezu beliebig. Wird die Dose in kleine Stücke gerissen, und diese anschließend zusammengepreßt, läßt sich eine nahezu optimale Volumenreduktion erreichen. Nachteile: Zum Reißen sind hohe Kräfte erforderlich, da das Blech über seine Zugfestigkeit hinaus belastet werden muß. Um ein Blechstück zu zerreißen, muß es festgehalten werden, damit die notwendigen Zugkräfte in das Blech eingeleitet werden können. D.h. außer beim Aufreißen von Hohlkörpern durch innere Druckkräfte ist eine Krafteinleitung an mehr als zwei Punkten erforderlich. FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 18 / 66 Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ‘98 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin Obwohl sich die Risse meist an der schwächsten Stelle bilden, ist die genaue Position und der Verlauf nicht exakt vorherzusagen. Es entstehen scharfe Kanten. Der Energiebedarf ist wie beim Schneiden proportional der Rißlänge 10.1.3 Thermisches Abtragen ( Verdampfen ) Vorteile: Das Verfahren ist von der Dosenform unabhängig. Das Folgeprodukt ist formlos und kann so wieder urgeformt werden. Zum thermischen Abtragen sind keine Kräfte notwendig. Nachteile: Es werden sehr hohe Temperaturen benötigt, um Weißblech (2500°C) bzw. Aluminium (2270°C) zu verdampfen. Bei hohen Temperaturen muß das Gerät aufwendig gegen die Umwelt isoliert werden. Anschließend muß das Metall urgeformt werden Mehraufwand. Beim anschließenden Urformen muß das dampfförmige Metall wieder kondensiert werden, was das Problem der Wärmeabfuhr aufwirft. 10.1.4 Chemisches Abtragen ( auflösen ) Vorteile: Das Verfahren ist von der Dosenform unabhängig. Das Folgeprodukt ist formlos. Es sind keine Kräfte notwendig. Das Verfahren kann im Gegensatz zum thermischen Abtragen bei Raumtemperatur angewandt werden. Nachteile: Die eingesetzten Chemikalien verbrauchen sich und müssen entweder ausgewechselt oder elektrolytisch zurückgewonnen werden. Mehraufwand. Die verwendeten Chemikalien sind Gefahrstoffe. Das Verfahren ist langsam. Die verwendeten Chemikalien liegen in flüssiger Form vor und können dadurch auslaufen. 10.1.5 Elektrochemisches Abtragen ( Elektrolyse ) Vorteile: Das Verfahren ist von der Dosenform unabhängig. Das Folgeprodukt ist formlos. Es sind keine Kräfte notwendig. Das Verfahren kann im Gegensatz zum thermischen Abtragen bei Raumtemperatur angewandt werden. Nachteile: Das Verfahren ist langsam. Um die Prozeßgeschwindigkeit zu steigern sind hohe Ströme notwendig. Die verwendeten Chemikalien sind Gefahrstoffe. Die Abscheideelektrode muß ausgewechselt oder gereinigt werden. FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 19 / 66 Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ‘98 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin 10.1.6 Drehen Vorteile: Mit Hilfe des Drehens können mit wenig Kraft Abstiche durchgeführt werden. Nachteile: Die Dose muß zum Übertragen von Drehmomenten eingespannt werden. Es muß entweder die Dose oder das Werkzeug in Rotation versetzt und verfahren werden. Der Verfahrweg des Drehmeißels ist von der Größe und dem Durchmesser der Dose abhängig. Nach dem Abstechen kann die Dose nicht mehr festgehalten werden. Die Teilstücke fliegen aufgrund ihrer Rotationsenergie im Gerät herum. Werkzeugverschleiß führt zu Verschlechterung des Ergebnisses und zum Anstieg der erforderlichen Kräfte. Es entstehen scharfe Kanten. 10.1.7 Sägen Vorteile: Durch eine geeignete Wahl der Sägelinien können Schwachstellen in der Struktur der Dose ausgenutzt bzw. geschaffen werden. Sowohl Form als auch Größe der abgesägten Stücke sind nahezu beliebig Es können feine Schnitte mit wenig Kraft durchgeführt werden. Auch dicke Materialstärken oder stabile Versteifungen können zerteilt werden. Nachteile: Ein Verhaken des dünnen Blechs in den Zähnen der Säge kann zum Bruch oder Blockieren des Sägeblattes führen. Es entstehen scharfe Sägekanten. Durch den schwingfähigen Aufbau einer Dose ist mit einer Gräuschbelästigung zu rechnen. Werkzeugverschleiß. 10.1.8 Fräsen Vorteile: Ein gezieltes Schwächen der Dosenstruktur ist möglich. Auch dicke Materialstärken oder stabile Versteifungen können zerteilt werden. Nachteile: Das Werkzeug muß rotieren und entweder das Werkzeug oder die Dose verfahren werden. Mehrere Schnitte erfordern einen mehrachsigen Verfahrweg. Werkzeugverschleiß. Die Arbeitsgeräusche können zu Geräuschbelästigungen führen. Es entstehen scharfe Kanten. 10.1.9 Schleifen Vorteile: Durch das Schleifen entsteht ein feines Pulver, ( formloser Stoff ) das keinerlei Verletzungsrisiken birgt und wenig Platz beansprucht. Je nach Anwendungsfall kann die Dosenform irrelevant sein. Durch anschließendes Pulververpressen ( Urformen ) läßt sich eine nahezu FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 20 / 66 Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ‘98 Nachteile: 10.1.10 Vorteile: Nachteile: 10.1.11 Vorteile: Nachteile: 10.1.12 Vorteile: Nachteile: Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin optimale Volumenreduktion erreichen. Die Arbeitsgeräusche können zu Geräuschbelästigungen führen. Werkzeugverschleiß. Die Dose muß gehalten oder angedrückt werden. Eine starke Erwärmung am Ort des Schleifens ist zu erwarten. Das Schleifen setzt Schwebstoffe frei, die die Umgebungsluft belasten können. Es kann zum Funkenflug kommen. Das Endprodukt ist mit dem Abrieb des Werkzeuges verunreinigt. Zerlegen Der Fertigungsprozeß ( Umbördeln der Dosenränder ) wird umgekehrt. Dadurch erhält man einen flachen Deckel, einen flachen Boden sowie einen Mantel, der sich leicht radial zusammendrücken läßt. Es sind dünne Krallen hoher Festigkeit erforderlich, die zwischen Rand und Mantel greifen und den Rand aufbiegen. Entweder muß der Rand komplett aufgebogen werden, damit der Boden / Deckel abfällt, oder nach dem teilweisen Aufbiegen müssen Deckel und Boden noch herausgedrückt bzw. -gezogen werden. Es ist ein komplexer Bewegungsablauf nötig. Das Verfahren ist von der Dosengeometrie abhängig. Walzen Dieses Verfahren bietet eine rotierende Preßwerkzeugbewegung (bei rotierender Krafteinleitung interessant) Walzen ermöglicht gleichzeitiges umformen und transportieren. Ein automatischer Auswurf des Endprodukts ist damit leicht realisierbar. Das Volumen der Dose läßt sich durch walzen stark reduzieren. Die Dose muß ggf. in das Walzensystem gedrückt werden. Eindrücken ( Eindrücken / Zusammendrücken ) Eine hohe Volumenreduktion ist erzielbar. (siehe Vorversuche) Das Eindrücken erfordert keine Einspannung, sondern lediglich ein Widerlager. Das Eindrücken kann kraft- oder weggesteuert erfolgen Flexibel einsetzbar. Schwachstellen können geschaffen oder ausgenutzt werden. In Abhängigkeit vom Ort der Krafteinleitung sind meist hohe Kräfte notwendig. Der Kraftaufwand ist abhängig von der Dosengeometrie. So ist z.B. eine niedrige Dose weniger anfällig gegen Querkräfte. FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 21 / 66 Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ‘98 10.1.13 Vorteile: Nachteile: 10.1.14 Vorteile: Nachteile: Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin Gesenkformen Eine hohe Volumenreduktion ist erzielbar. (siehe Vorversuche) Das Eindrücken kann kraft- oder weggesteuert erfolgen Flexibel einsetzbar. Es ist keine Einspannung notwendig. Schwachstellen können geschaffen oder ausgenutzt werden. Die Dose kann in nahezu beliebige Form gebracht werden. Falls das benötigte Gesenk eine komplexe Form aufweist, erhöht dies die Fertigungskosten für das gesamte Gerät. Es sind Hohe Kräfte notwendig. Der Kraftaufwand und die Form des Endproduktes sind abhängig von der Dosengeometrie. Durchdrücken ( Metall durch eine Öffnung pressen ) Das Verfahren ist unabhängig von der Dosengeometrie. Eine hohe Volumenreduktion ist erzielbar. Beim Durchdrücken treten extrem hohe Kräfte auf, da das Metall durch die Öffnung fließen muß. 10.1.15 Vorteile: Nachteile: Zugumformung Keine besonderen Vorteile erkennbar. Die Dose muß an mindestens zwei Stellen eingespannt werden. Das Blech muß über seine Zugfestigkeit hinaus belastet werden, oder es treten nur geringe Verformungen auf. Die Möglichkeiten der Formgebung sind begrenzt. Durch Bruch des Bleches (aufreißen der Dose) entstehen scharfe Kanten. Die Lage der gebildeten Risse kann nicht exakt vorherbestimmt werden. 10.1.16 Vorteile: Schubumformung Der Dosenmantel besitzt nur eine geringe Festigkeit gegen Schubkräfte (Vgl. Vorversuche). Geringer Kraftaufwand. Der Kraftaufwand und die Form des Endproduktes sind abhängig von der Dosengeometrie. Die Dose muß eingespannt werden. Nachteile: 10.1.17 Vorteile: Biegeumformung Da die Dose schnell einknickt, sind kleine Kräfte erforderlich. Wurde die Dose zuvor in Blechstreifen zerteilt, lassen sich diese in nahezu beliebige Form bringen. Nachteile: Wird die komplette Dose durch Biegung verformt, ist nur eine geringe Volumenreduktion möglich Wird die komplette Dose durch Biegung verformt, entstehen durch das einknicken Versteifungen. Erhöhter Kraftaufwand für nachfolgende FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 22 / 66 Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ‘98 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin Verfahren. 10.1.18 Vorteile: Nachteile: 10.1.19 Vorteile: Nachteile: Torsion Der Dosenmantel besitzt nur geringe Festigkeit gegen radiale Torsion Geringer Kraftaufwand am Anfang. (Vgl. Vorversuche) Es entstehen viele Falten, die zur Versteifung der Dose führen. Steigender Kraftaufwand proportional zum Torsionsweg. Die entstehenden Versteifungen lassen keine optimale Volumenreduktion zu. Die Dose muß ( vermutlich durch Kraftschluß ) an zwei Stellen festgehalten werden. ( Entweder durch eine Einspannung oder durch Druckkräfte. ) Einschmelzen Das Verfahren ist von der Dosenform unabhängig. Es sind keine Kräfte notwendig. Endprodukt ist formlos und kann urgeformt werden. optimale Volumenreduktion möglich. Es werden sehr hohe Temperaturen benötigt, um Weißblech (1530°C) bzw. Aluminium (660°C) einzuschmelzen. Bei hohen Temperaturen muß das Gerät aufwendig gegen die Umwelt isoliert werden. Anschließend muß das Metall urgeformt ( gegossen ) werden Mehraufwand. Beim Gießen muß das flüssige Metall wieder abgekühlt werden, was das Problem der Wärmeabfuhr aufwirft. FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 23 / 66 Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ‘98 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin 10.2 Auswahl der Reduktionsverfahren Von weiteren Betrachtungen ausgeschlossen werden: Thermische Verfahren: Das Problem der Wärmeisolation und -abfuhr ist zu gravierend. Spanende Verfahren: Bei ihnen führt hoher technischer Aufwand zu einem Ergebnis, das sich mit Schneiden oder Reißen ähnlich erreichen läßt. Durchdrücken: Die benötigten Kräfte sind zu groß. (Elektro-) Chemische Verfahren: Aufwand und Risiken für den Benutzer sind zu hoch. Hinzu kommt, daß die erforderlichen Chemikalien vermutlich für den Hausgebrauch gesetzlich verboten sind. Zugumformung: Dieses Verfahren bringt keine besonderen Vorzüge mit sich. Die durch die Zugbelastung entstehende Verformung der Dose (Querkontraktion, Auseinanderreißen des Blechs in der Mitte) läßt sich mit anderen Verfahren unter geringerem Aufwand erreichen. Biegeumformung: Soweit sie die komplette Dose betrifft, ist die Volumenreduktion zu gering und eine weitere Bearbeitung wird nur erschwert. Für die Findung von Lösungsprinzipien werden verwendet: Biegeumformung: Soweit sie nur einzelne Teile der Dose betrifft, (z.B. den abgetrennten Dosenmantel) kann dem Blech durch das Biegen bei geringem Kraftaufwand eine Vielzahl von möglichen Formen gegeben werden. Biegen gehört neben Schneiden und Tiefziehen zu den wichtigsten Verfahren der Blechbearbeitung. Eindrücken: Da es sich bei der Dose um keinen Massivkörper handelt, ist das Eindrücken hier nur eine besondere Art der Biegeumformung. Gesenkformen: Besitzt die gleichen Vorteile wie das Eindrücken, eröffnet jedoch noch zusätzliche Möglichkeiten der Krafteinleitung und Formgebung. Schneiden: Diese Technik ist flexibel und kann sowohl alleine, als auch als Vorbereitung für weitere Bearbeitungsverfahren eingesetzt werden. Reißen: Wo mit zu hoher Abnutzung einer Schneide zu rechnen ist, ist Reißen oft eine gute Alternative zum Schneiden. FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 24 / 66 Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ‘98 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin 10.3 Liste der sinnvollen Lösungsverfahren Aus der zuvor gemachten Auswahl ergeben sich die folgenden, intuitiv gefundenen Anwendungsmöglichkeiten auf eine Dose: Kürzel Bezeichnung E1 E2 E3 E4 E5 G1 G2 R1 R2 R3 S1 S2 S3 S4 S5 S6 T1 W1 W2 Dose axial zusammendrücken Dose radial zusammendrücken Dose axial eindrücken Dose radial eindrücken Dose einschnüren Dose axial gesenkformen Dose radial gesenkformen Dose in kleine Stücke reißen Mantel von innen aufreißen Deckel und Boden abreißen Deckel und Boden abschneiden Mantel in Scheiben schneiden Mantel spiralförmig einschneiden Axiale Schnitte in Mantel Radiale Schnitte in Mantel Deckel und Boden kreuzschneiden Dose verdrehen Dose flachwalzen Dose profilwalzen FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 25 / 66 Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ‘98 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin 11. Lösungsprinzipien Lösungsprinzipien, deren Effektivität sich nur schwer im Gedankenexperiment beurteilen ließ, wurden in kleinen Versuchen untersucht. Diese Versuche sind aus Platzgründen nicht schriftlich niedergelegt. 11.1 Eindrücken (zusammendrücken) LE1 Deckel auf Boden Kombination: E1 Diese Umformtechnik drückt mit einem flachen Stempel die Dose axial zusammen. Durch hohe Kräfte von ca. 6 kN knickt der Mantel stückweise ein, bis die Festigkeit entstehenden Falten keine weitere Umformung mehr erlaubt (Vgl. Vorversuche) Vorteil: Nachteil: Einfaches Halten der Dose möglich. Einfacher Stempel. Einfache Bewegung des Stempels. Keine scharfen Kanten. Extrem hohe Kräfte erforderlich, da der komplette Mantel zusammen knicken muß. Stempel muß geführt werden, damit bei einem einseitigen Nachgeben der Dose der Stempel sich nicht verkantet. Skizze: LE2 Deckel auf Boden mit Vorknicken Kombination: E1 + E4 Vgl. ”Deckel auf Boden”. Hier wird jedoch zuvor der Mantel radial eingedrückt. Diese Vorverformung kann entweder durch einen Schlag oder eine langsame Bewegung gegen den Mantel durchgeführt werden, wobei sich eine Querschnittsverengung von mindestens 2/3 des Dosendurchmessers ergeben sollte. Durch diese Vorverformung wird der Mantel stark geschwächt, was zu einer erheblichen Reduktion der anschließenden vertikalen Preßkräfte führt. Vorteil: Nachteil: Einfaches halten der Dose möglich. Einfacher Stempel. Einfache Bewegung des Stempels. Geringere Preßkraft als ohne vorknicken. Keine scharfen Kanten. Große Kräfte erforderlich, da der Mantel zusammenknicken muß und sich dadurch versteift. Stempel muß geführt werden, damit bei einem einseitigen Nachgeben FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 26 / 66 Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ‘98 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin der Dose der Stempel sich nicht verkantet. Zweiter Stempel erforderlich um die Vorknickung durchzuführen. LE3 Seilschlinge Kombination: E4 + E1 Bei dem System ”Seilschlinge” wird eine biegesteife Metallschlinge um den Mantel der Dose gelegt (möglichst auf halber Höhe) und danach zusammengezogen. Hierdurch wird die Dose eingeschnürt und für vertikale Kräfte geschwächt. Nach dem Einschnüren wird die Metallschlinge wieder aufgeschoben, so daß sie bei dem nachfolgenden Preßvorgang nicht von der Dose eingeklemmt werden kann. Nun wird durch einen flachen Stempel der Deckel in Richtung des Bodens gedrückt, wobei sich das Volumen nochmals durch die Reduktion der Höhe vermindert. Vorteil: Nachteil: Reduzierte Kräfte gegenüber dem ”Deckel auf Boden”-Verfahren, da durch die Einschnürung der Mantel leichter einknickt. Einfacher Stempel. Die Seilschlinge muß zu Beginn des Preßvorganges über die Dose und am Ende wieder von der Dose geschoben werden, damit das Einlegen und Herausnehmen der Dose ermöglicht wird. Die Seilschlinge sollte wenn möglich in der halben Dosenhöhe plaziert werden, um ein optimales Ergebnis zu erreichen. Skizze: LE4 Torsion Kombination: T1 + E1 Die Dose wird durch eine kombinierte Druck- und Torsionsbewegung in ihrem Mantel verdrillt, wobei eine Schwächung des Mantels eintritt. Hierbei fährt ein Stempel von oben auf die unter ihm abgestellte Dose und dreht sich dabei konstant um einem dem Verfahrweg proportionalen Winkel um die Mittelachse der Dose. Die Übertragung des Drehmomentes wird hierbei durch Kraftschluß zwischen Deckel und Stempel bzw. Boden und Auflage durchgeführt. Vorteil: Nachteil: Reduzierte Kräfte gegenüber dem ”Deckel auf Boden”-Verfahren. Gleichzeitige Translations- und Rotationsbewegung des Stempels notwendig. Hohe Kräfte notwendig, da der Mantel einknicken muß. Reduktionsergebnis schlechter, da der verdrillte Mantel, dem vertikalen Verpressen im Wege steht. FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 27 / 66 Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ‘98 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin Skizze: LE5 Mantel zusammendrücken Kombination: E2 Hierbei wird die Dose durch einen flachen Stempel senkrecht auf den Mantel gegen eine Auflage gedrückt. Durch diesen Druck wird sich sowohl der Deckel als auch der Boden falten, bis die einsetzende Versteifung des Materials ein weiteres Zusammenpressen verhindert. Vorteil: Nachteil: Einfaches Halten der Dose möglich. Einfacher Stempel. Einfache Bewegung des Stempels. Große Kräfte erforderlich, da sich der Deckel und der Boden zusammenfalten müssen. Stempel muß geführt werden, damit bei einem einseitigen Nachgeben der Dose der Stempel sich nicht verkantet. Skizze: 11.2 Gesenkformen ( Einpressen in eine Form ) LG1 V-Form auf Mantel Kombination: G2 Die horizontal eingelegte Dose wird mit einem V-förmigen Stempel in eine V-förmige Form (Gesenk) eingepreßt. Dabei sollte die Spitze des Stempels möglichst in der Mitte des Mantels liegen, um die dort vorhandene Schwäche gegenüber senkrecht angreifenden Kräften optimal zu nutzen. Bei dem Preßvorgang wird sich zunächst der Mantel so lange durchbiegen, bis Deckel und Boden an den Stempel anstoßen. Danach müssen der Deckel und der Boden mit Teilen des Mantels durch den Stempel flach gegen die Form gedrückt werden. Durch die Verpressung wird die Dose eine flache V-Form erhalten, die es dem Benutzter ermöglicht, mehrere Dosen platzsparend ineinander zu stapeln. Vorteil: Nachteil: Ausnutzen der Schwäche des Mantels auf senkrechte Kräfte. Endprodukt gut stapelbar. Das Positionieren und Halten der Dose gestaltet sich schwierig. FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 28 / 66 Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ‘98 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin Aufwendigerer Stempel. Verhaken der Dose im Gesenk möglich. Skizze: LG2 V-Form mit Schneide Kombination: G2 + S2 Wie bei ”V-Form auf Mantel” wird auch hier die Dose mit einem Stempel in eine V-Form gepreßt. Jedoch wird hier die eindrückende Kante des Stempels angeschärft, so daß sie gleichzeitig den Mantel durchtrennt und sich so der Deckel und der Boden leichter durch den Stempel an der Formwand flachdrücken lassen, da nun durch den Mantel keine Zugkräfte mehr übertragen werden können. Vorteil: Nachteil: Ausnutzen der Schwäche des Mantels für radiale Kräfte. Verminderung der Kräfte gegenüber der V-Form ohne Schneide. V-förmige Endprodukte sind ineinanderstapelbar. Das Positionieren und Halten der Dose gestaltet sich schwierig. Abnutzung der Schneide. Scharfe Kanten am Endprodukt. Verhaken der Dose im Gesenk möglich. Skizze: LG3 W-Form Kombination: G2 Funktionsgleich mit dem Verfahren ”V-Form auf Mantel” wird die Dose nun aber durch einen in W-Form geformten Stempel und Matrix in eine W-Form gepreßt. Dies hat gegenüber der V-Form den Vorteil, daß eine Dose nicht mehr so leicht auf einer Auflageseite abrutschen und komplett in die Form fallen kann, da nun die Dose auch noch in der Mitte einen Auflagepunkt besitzt. Vorteil: Dritter Auflagepunkt, vermindert die Gefahr des Abrutschens der Dose in die Form. Ausnutzen der Schwäche des Mantels auf radiale Kräfte. W-förmige Endprodukte sind ineinanderstapelbar. FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 29 / 66 Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ‘98 Nachteil: Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin Der dritte Auflagepunkt macht es nahezu unmöglich eine kleine Dose (z.B. Maisdose) in die Form einzulegen, ohne daß sie verrutscht. Höherer Kraftaufwand als bei V-Form. Verhaken der Dose im Gesenk möglich. Skizze: 11.3 Schneiden LS1 Boden abtrennen Kombination: S1 + E2 Die Dose wird horizontal auf eine Auflage gelegt. Ein vertikal verfahrender Stempel drückt den Mantel flach gegen die Auflage. Gleichzeitig wird der Dosenboden durch eine Schneide, die an der einen Seite des Stempels befestigt ist, vollständig abgetrennt. Diese Methode setzt voraus, daß der Deckel der Dose entweder vollständig entfernt wurde, oder in das Innere der Dose gebogen wurde, so daß er sich nicht verklemmen kann. Vorteil: Nachteil: Ausnützen der Schwäche der Mantels gegenüber radialen Kräften. Reduzierte Kräfte gegenüber ”Mantel zusammendrücken”. Gutes Reduktionsergebnis erzielbar. Deckel muß entweder total entfernt, oder zu mindestes ¾ abgeschnitten und in das Innere der Dose gebogen werden. Abnutzung der Schneide. Die beiden Endprodukte weisen scharfe Kanten und somit eine Verletzungsgefahr auf. Genaues Positionieren notwendig, um den Schnitt definiert und richtig plaziert durchzuführen. Skizze: LS2 Messerwalzen Kombination: S2 Dieses System besteht aus zwei Walzen, auf denen in regelmäßigen Abständen Messerscheiben sitzen. Diese Messerwalzen sind parallel zueinander angebracht und die Messer beider Walzen überlappen sich abwechselnd, so daß bei einem gegensinnigen Rotieren der Walzen die Messer die Dose in Streifen schneiden, welche dann nach unten heraus fallen. FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 30 / 66 Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ‘98 Vorteil: Nachteil: Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin Gleichzeitige Schnitt- und Transportbewegung. Abnutzung der Schneiden. Positionierungsproblem: Nur der Mantel darf zerschnitten werden. Die stabilen Dosenränder müssen zwischen den Messerscheiben hindurchfallen, da sie diese beschädigen können. Die Dose muß zwischen die Walzen gedrückt werden. Es entstehen scharfe Kanten am Endprodukt. Da viele Schnitte gleichzeitig durchgeführt werden, ist ein großes Drehmoment notwendig. Skizze: LS3 Spiralschnitt Kombination: S3 + E1 Hier wird der Mantel der Dose mit einem oder mehreren Messern spiralförmig eingeschnitten. Durch die starke Schwächung und die schräge Schnittlage ist es möglich, die Dose unter geringem Kraftaufwand zusammenzulegen. Vorteil: Nachteil: Reduzierte Kräfte gegenüber ”Deckel auf Boden”. Abnutzung der Schneiden. Es entstehen scharfe Kanten am Endprodukt. Dieses Verfahren funktioniert bei einer verbogenen Dose nur unzureichend. Position und Verfahrweg der Schneide(n) sind abhängig von der Dosengeometrie. Beim Fehlen des Deckels ist das Einstechen und Verfahren der Schneiden in den Mantel problematisch, da die Dose nachgeben kann. Rotationsbewegung der Dose oder komplexe Werkzeugbewegung notwendig. Aufwendige Halterung der Dose notwendig. Skizze: LS4 Axiale Schnitte in Mantel mit Eindrücken Kombination: S4 + E1 Mit mehreren Schneiden wird der Mantel der Dose in axialer Richtung in mehrere Streifen geschnitten, wobei Boden- und Deckelrand intakt bleiben sollen. Danach wird der Deckel auf den Boden gedrückt, was nur eine geringe Druckkraft erfordert, da die Blechstreifen leicht einknicken. FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 31 / 66 Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ‘98 Vorteil: Nachteil: Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin Reduzierte Kräfte gegenüber ”Deckel auf Boden”. Abnutzung der Schneiden. Es entstehen scharfe Kanten am Endprodukt. Dieses Verfahren funktioniert bei einer verbogenen Dose nur unzureichend. Die Dosengeometrie macht ein Nachstellen der Schneiden notwendig. Beim Fehlen des Deckels ist das Einstechen der Schneiden in den Mantel problematisch, da die Dose nachgeben kann. Komplexe Werkzeugbewegung. Aufwendige Halterung der Dose notwendig. Unkontrolliertes Einknicken der Mantelstreifen. Skizze: LS5 Deckel und Boden kreuzschneiden Kombination: S6 + E2 Mit einem oder mehreren Messern wird sowohl der Deckel, falls er vorhanden ist, als auch der Boden zweimal über den kompletten Durchmesser kreuzweise eingeschnitten, Danach wird mit einem flachen Stempel die Dose radial zusammengedrückt. Durch die beiden Schnitte wird die Stabilität des Deckels und des Bodens auf seitliche Beanspruchung vermindert, was den nachfolgenden Preßvorgang erheblich vereinfacht. Vorteil: Nachteil: Geringere Kräfte als bei ”Mantel zusammendrücken”. Relativ geringe Volumenreduktion.(ca. 50%). Die Reststücke von Deckel und Boden verkeilen sich danach wieder zwischen den Mantelflächen. Die Schnittlänge und -lage sind von der Dosengeometrie abhängig. Verschleiß der Schneiden. Skizze: LS6 Dosenöffner Kombination: S1 + E2 Zwei, mit je einer Schneide ausgestattete Messer werden dicht am Rand in den Boden und den Deckel eingestochen. Nun werden durch die Rotation der Dose oder durch eine rotierende Bewegung der Messer Deckel und Boden vom Mantel abgetrennt. Nach dem Heraustrennen werden die Messer zur Seite gefahren und anschließend wird der Mantel durch einen Stempel flach gedrückt. Vorteil: Geringere Kräfte als ”Mantel zusammendrücken”. FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 32 / 66 Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ‘98 Nachteil: Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin Rotationsbewegung der Dose oder komplexe Werkzeugbewegung notwendig. Abnutzung der Schneiden. Schnittlage ist von der Dosengeometrie abhängig. Schwierig für Dosen zu adaptieren, die eine unterschiedliche Form des Deckels und Bodens besitzen. Skizze: 11.4 Reißen LR1 Shredder Kombination: R1 An einer schnell rotierenden Welle werden pendelnde Metallstifte (oder ggf. Messer) angebracht, die durch die Fliehkraft nach außen wegstehen. Durch eine Zuführung wird die Dose in den Bereich der Metallstifte vorgeschoben. Die Metallstifte schlagen aus der Dose kleine Metallstücke heraus. Die Beweglichkeit der Metallstifte ist notwendig, damit diese sich nicht verbiegen, wenn die Kräfte zum Abtrennen eines Metallstücks kurzfristig zu hoch sind.. Vorteil: Nachteil: Gleichzeitiger Shredder- und Transportvorgang. Es entstehen scharfe Kanten. Das Shreddern erfordert ein großes Drehmoment. Starke Geräuschbelästigung Die Dose muß kontrolliert zugeführt werden. Die Dose kann sich in der Shredderwalze verfangen und das Gerät blockieren. Skizze: LR2 Deckel und Boden abreißen Kombination: R3 + E2 Mit einem spitzen Werkzeug wird dicht unter dem Rand der Dose in den Mantel und den Boden einmal eingestochen. Das Werkzeug Während der Mantel festgehalten wird, zieht das Werkzeug an Boden und Rand, bis entweder die Bördelnaht zwischen Mantel und Boden aufreißt, oder der komplette Rand vom Mantel abreißt. Bei Bedarf kann ein zweites Werkzeug identisch mit dem Deckel verfahren. Anschließend wird der Mantel noch mit einem Stempel flach gedrückt. FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 33 / 66 Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ‘98 Vorteil: Nachteil: Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin Geringere Kräfte als bei ”Mantel zusammendrücken” Scharfe Kanten am Endprodukt. Die Position der Einstiche ist von der Dosengeometrie abhängig und muß nachgestellt werden. Komplexe Werkzeugbewegungen. Der Mantel muß gehalten werden, damit sowohl Deckel als auch Boden abreißen können. Skizze: 11.5 Walzen LW1 Einfache Walze Kombination: W1 Eine einzelne, flache Walze, die in einem definierten Abstand zu einer ebenen Andruckplatte montiert ist, wird in Rotation versetzt. Beim Andrücken einer Dose wird diese von der Walze erfaßt und gegen die Andruckplatte gepreßt. Deckel oder Boden der Dose verformen sich, so daß die Dose tiefer unter die Walze gezogen wird. Nachdem eine ausreichenden Verformung der Dose erreicht wurde, zieht die Walze die Dose selbständig ein und preßt sie auf eine Höhe, die dem Abstand zwischen der Walze und der Anpreßplatte entspricht. Vorteil: Nachteil: Eine hohe Volumenreduktion ist erzielbar. Es sind hohe Kräfte erreichbar. Gleichzeitiges Verpressen und Transport. Dieses Verfahren bietet eine rotierende Preßbewegung (bei rotierender Krafteinleitung interessant). Hoher Energieverlust durch Reibung an Andruckplatte. Der Kraftaufwand ist abhängig von der Dosengeometrie. Großer Walzendurchmesser erforderlich. Die Dose muß unter die Walze gedrückt werden, bis die Greifbedingung erfüllt ist. Skizze: LW2 Doppelte Walze FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Kombination: W1 Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 34 / 66 Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ‘98 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin Dieses Verfahren entspricht weitgehend dem Verfahren ”einfache Walze”, jedoch mit der Modifikation, daß die Anpreßplatte durch eine zweite Walze ersetzt wird, die sich gegensinnig zur ersten Walze dreht. Die Verpreßung findet hier zwischen den Walzen statt. Vorteil: Nachteil: Eine hohe Volumenreduktion ist erzielbar. Es sind hohe Preßkräfte erreichbar. Gleichzeitiges Verpressen und Transport. Dieses Verfahren bietet eine rotierende Preßbewegung (bei rotierender Krafteinleitung interessant). Geringere Reibungsverluste als bei der Andruckplatte. Der Kraftaufwand ist abhängig von der Dosengeometrie. Großer Walzendurchmesser erforderlich. Die Dose muß zwischen die Walzen gepreßt werden. Zwei Walzen vergrößern den Einbauraum. LW3 Profilwalze Kombination: W2 Dieses System besteht aus zwei gegensinnig rotierenden Walzen, deren Zwischenraum V-förmig ist. parallel zu den Walzen zugeführt, durch die V-Form der Walzen auch in eine V-Form gepreßt und auf der gegenüberliegenden Seite ausgeworfen. Durch die V-Form lassen sich nun mehrere Dosen dicht ineinanderstapeln. Vorteil: Nachteil: Eine hohe Volumenreduktion ist erzielbar. Es sind hohe Kräfte erreichbar. Gleichzeitiges Verpressen und Transport. Dieses Verfahren bietet eine rotierende Preßbewegung (bei rotierender Krafteinleitung interessant). Das Endprodukt bietet die Möglichkeit des Ineinanderstapelns. Wie beim V-Gesenkformen, werden Deckel und Boden nicht zusammengepreßt, was den Kraftbedarf v.a. beim Andrücken an die Walzen reduziert. Der Kraftaufwand ist abhängig von der Dosengeometrie. Großer Walzendurchmesser erforderlich. Skizze: LW4 Zahnräder Kombination: W1 + E1 Die Dose wird zwischen zwei nebeneinander angebrachte Zahnräder gebracht. Durch eine gegenläufige Rotation beider Walzen, drücken sich die Zähne beider Walzen in die Mantelfläche der Dose und ziehen sie automatisch tiefer zwischen sich. Dadurch wird der Mantel der Dose in eine Wellenform gebracht was ihn für eine vertikale FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 35 / 66 Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ‘98 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin Verpressung schwächt.. Am Ende des Walzvorganges, wenn die Dose noch mit dem oberen Rand in den Zahnrädern verankert ist, wird ein flacher Stempel von unten gegen den Dosenboden gefahren, so daß die Dose in ihrer Höhe reduziert wird. Vorteil: Nachteil: Durch die Schwächung des Mantels reduziert sich die notwendige Preßkraft der vertikalen Verpressung. Gleichzeitige Verpressung und Transport. Großer Radius der Zahnräder, damit die maximale Dosenhöhe verarbeitet werden kann. Aufwendige Zahnräder notwendig. Deckel und Boden müssen immer in den Lücken zwischen den Zähnen transportiert werden, da sie zu stabil sind, um von den Zähnen verbogen zu werden und diese sonst zerstören können. Skizze: 11.6 FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 36 / 66 Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ‘98 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin 11.6 Bewertung der Lösungsprinzipien Durch eine intuitive Bewertung aller Lösungsprinzipien wurde die folgende Rangfolge festgelegt: 11.6.1 Ranking der Lösungsprinzipien Platz 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Benennung LS1 Boden abtrennen LE3 Deckel auf Boden LG1 V-Form auf Mantel LE5 Mantel zusammendrücken LG2 V-Form mit Schneide LG3 W-Form LW3 Profilwalze LW1 Einfache Walze LW2 Doppelte Walze LE4 Deckel auf Boden mit Vorknicken LS5 Deckel und Boden kreuzschneiden LS2 Messerwalzen LS4 Senkrechte Schnitte in Mantel mit Eindrücken LR1 Shredder LE2 Torsion LS6 Dosenöffner LR2 Deckel und Boden abreißen LW4 Zahnräder LE1 Seilschlinge LS3 Spirale Tabelle 2 11.6.2 Begründung Das Lösungsprinzip LS1 Boden abtrennen scheint das geeignetste Verfahren für die gestellte Aufgabe zu sein. Hierbei erweisen sich die Einfachheit der Bewegungsabläufe, sowie die zu erwartenden Reduktionsraten als die überzeugendsten Argumente. Auch in Hinsicht auf die zu erwartenden Kräfte hebt sich diese Methode von dem Zweitplazierten durch die gezielte Nutzung bzw. Schaffung von Schwächen der Dosenstruktur ab. Die Tatsache, daß der Deckel nicht mit abgeschnitten wird, scheint ein Problem dieses Verfahrens zu sein, stellt aber bei genauerer Betrachtung keine Schwierigkeit dar, da bei den häufigsten Anwendungsfällen der Deckel sowieso entfernt wird. Bei der Methode LE3 Deckel auf Boden überrascht das sehr gute Reduktionsergebnis (siehe Vorversuche). Auch die einfache Bewegung und Beschaffenheit des Stempels sprechen für die hohe Bewertung dieses Verfahrens. Jedoch zeigten schon die Vorversuche große Probleme in Hinsicht auf die erforderlichen Preßkräfte und -energien, die es zum einen notwendig machen, FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 37 / 66 Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ‘98 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin daß das Gerät sehr massiv konstruiert und gebaut werden muß und zum anderen, daß die erforderliche Bedienkraft nur schwer oder unkomfortabel vom Bediener manuell aufzubringen ist, was eigentlich nur eine Lösung mit zusätzlicher Fremdenergie (z.B. el. Strom) zuläßt. Mit Platz 3 wurde das Lösungsprinzip LG1 V-Form auf Mantel bewertet. Dieses Prinzip zeichnet sich durch seine hohe Reduktionsrate in Verbindung mit einer stapelbaren Form und die Ausnützung der Schwäche des Mantels gegenüber radial angreifenden Kräften aus. Jedoch kann wie beschrieben die Schwäche des Mantels wegen des Deckels und des Bodens nicht vollständig ausgenutzt werden. Weiterhin erweist sich die genaue Positionierung der Dose in der V-Form als recht aufwendig. FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 38 / 66 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ’98 12. Funktionsstruktur St1 leere Dose FA Dose positionieren FB Dose halten FC Dose schneiden FD Dose pressen FE Dose auswerfen St2 volumenreduzierte Dose E2 Energie E1 Betriebsenergie FF Betriebsenergie schalten S1 Startsignal FG Betriebsenergie in Kraft umwandeln FH Kraft umlenken FI Kraft leiten FJ Kraft vergrößern S2 Reduktion beendet Abbildung 10 FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 39 / 66 Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ’98 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin 13. Morphologie für das Lösungsprinzip: Pressen mit Schneiden 13.1 Problemelemente FA FB FC FD FE FF FG FH FI FJ Dose positionieren Dose halten Dose schneiden Dose pressen Dose auswerfen Betriebsenergie schalten Betriebsenergie in Kraft wandeln Kraft leiten Kraft vergrößern Kraft umlenken 13.2 Lösungskomponenten FA FA1 FA2 FA3 FA4 FA5 FA6 FA7 FA8 FB1 B FB1 FB2 FB3 FB4 FB5 FB6 C FC1 FC2 FC3 FC4 Dose positionieren: Horizontale, flache Auflage + Anschlag Schiefe Ebene + Anschlag Ein Schieber + Anschlag Zwei gegenläufige Schieber Bediener und optische Markierung Greifer Vertiefung im Boden Förderband + Anschlag Dose an ihrem Rand einspannen Dose halten: Horizontale, flache Auflage + Dose ablegen Schiefe Ebene + Anschlag Vertiefung in Boden + Dose ablegen Dose an ihrem Rand einspannen Dose festsaugen Dose festkleben Dose schneiden: Flache Schneide mit erhöhter Gegenschneide Flache Schneide gegen Kante Schräge Schneide mit erhöhter Gegenschneide Schräge Schneide gegen Kante FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 40 / 66 Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ’98 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin FC5 Spitze Schneide mit erhöhter Gegenschneide FC6 Spitze Schneide gegen Kante D FD1 FD2 FD3 FD4 FD5 FD6 E FE1 FE2 FE3 FE4 FE5 F FF1 FF2 FF3 FF4 FF5 FF6 G FG1 FG2 FG3 FG4 FG5 FG6 FG7 H FH1 FH2 FH3 FH4 FH5 FH6 FH7 Dose pressen: Ein Stempel - flach Ein Stempel - rund Ein Stempel - V-Form Zwei Stempel - flach Zwei Stempel - rund Zwei Stempel - V-Form Dose auswerfen: Schiefe Ebene + Schwerkraft Falltür + Schwerkraft Schieber in Öffnung schieben Automatischer Greifer Dose herausnehmen Betriebsenergie schalten: Schalter Relais Schütz Halbleiter Handventil Elektroventil Betriebsenergie in Kraft wandeln: Muskulatur Arm / Hand Muskulatur Bein / Fuß Wasserdruck + Turbine Wasserdruck + Zylinder Wasserdruck + Motor Elektromagnet Elektromotor AC/DC Kraft leiten: Welle Seil Bautenzug Druckstab Zugstab Doppelhebel Einfachhebel FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 41 / 66 Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ’98 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin FH8 Feder FH9 Kette FH10 Riemen FH11 Einfachhebel FH12 Doppelhebel I Kraft vergrößern: FI1 Keil FI2 Zahnrad + Zahnstange FI3 Gewindespindel FI4 Kniehebel FI5 Doppelhebel FI6 Einfachhebel FI7 Getriebe FI8 Exzenter FI9 Flaschenzug FI10 Hammer J Kraft umlenken: FJ1 Umlenkrolle FJ2 Keil FJ3 Bautenzug FJ4 Gewindespindel FJ5 Kniehebel FJ6 Einfachhebel FJ7 Doppelhebel FJ8 Reibrad FJ9 Zahnrad FJ10 Flaschenzug FJ11 Gelenk 13.3 Erläuterungen zu verschiedenen Lösungskomponenten 13.3.1 Dose Positionieren Horizontale, flache Auflage + Anschlag Durch anlegen der Dose an einen Anschlag (bzw. zwei Anschläge) läßt sich ihre Lage in Bezug auf zwei (bzw. drei) Achsen festlegen. Die Lage der Mittelachse der Dose ist bei diesem System allerdings vom Durchmesser der Dose abhängig. FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 42 / 66 Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ’98 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin Schiefe Ebene + Anschlag Vgl. ‘Horizontale, flache Auflage + Anschlag’. Hier rollt bzw. rutscht die Dose jedoch aufgrund ihres Gewichts selbständig an den Anschlag. Ein Schieber + Anschlag Ein linear verfahrender Stempel schiebt die Dose an einen Anschlag bzw. zwei Anschläge. Auch hier ist die Lage der Mittelachse abhängig vom Dosendurchmesser. Zwei gegenläufige Schieber Zwei in entgegengesetzter Richtung linear verfahrende Stempel zentrieren die Dose unabhängig von ihren Abmaßen über einem definierten Punkt. Bediener + optische Markierung Durch Linien, Pfeile o.ä. optische Markierungen wird die Position gekennzeichnet, in die der Bediener die Dose zu bringen hat. Automatischer Greifer Die Dose wird von einem automatischen Greifer (”Roboterhand”) umschlossen, in die richtige Position getragen und abgesetzt. Abhängig vom sensorischen Aufwand ist es möglich, die optimale Position der Dose in Bezug auf ihre Abmessungen zu ermitteln. Vertiefung in der Auflage Zwei schiefe Ebenen zentrieren die Mittelachse der Dose über ihrem Schnittpunkt. Hierdurch wird die Dose allerdings nur in zwei Richtungen positioniert (X und Z Achse). Für die Position entlang der dritten Achse ist allerdings noch ein weiteres System (z.B. ein Anschlag) nötig. Förderband + Anschlag Der Boden, auf den die Dose aufgelegt wird, ist als Förderband konzipiert, das die Dose gegen einen Anschlag (bzw. zwei Anschläge) verfährt. Dose einspannen Die Dose wird am Rand des Dosenbodens z.B. durch ein Dreibackenfutter eingespannt. Dadurch ist die Position der Mittelachse definiert. FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 43 / 66 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ’98 13.3.2 Dose halten Horizontale, flache Auflage Die Dose liegt auf einer horizontalen, ebenen Auflage, auf der sie durch die Schwerkraft festgehalten wird. Während des Schneid- /Preßvorganges wird sie zusätzlich zwischen Stempel / Schneide und Auflage eingeklemmt. Schiefe Ebene + Anschlag Im Gegensatz zur horizontalen Auflage wird hier ein seitliches Wegrollen der Dose verhindert, da diese an zwei Stellen aufliegt. Vertiefung in der Auflage Funktion vgl. schiefe Ebene + Anschlag. Dose festsaugen Durch ein Vakuum (z.B. durch Saugnäpfe erzeugt) wird die Dose festgehalten. Nach der Volumenreduktion muß entweder das Vakuum über ein Ventil abgebaut werden, oder das Endprodukt muß unter Kraftaufwand abgelöst werden. Dose festkleben Ein nichthärtender Klebstoff, auf die Auflage aufgebracht, hält die Dose fest. Nach der Volumenreduktion muß das Endprodukt unter Kraftaufwand vom Klebstoff gelöst werden. Problematisch ist hierbei die Verunreinigung des Klebstoffs durch Staub und andere Partikel, die im Laufe der Zeit auftritt und ihn dadurch unwirksam macht. Dose schneiden Flache Schneide Schräge Schneide Dose pressen Stempelformen: Flach F F Spitze Schneide Rund V-Form F Die Zeichnungen zeigen die Version ”Ein Stempel”. Bei der Version ”zwei Stempel” wird die Auflage (schraffiert) durch einen identisch geformten Stempel ersetzt, der nach oben verfährt. Dadurch halbiert sich der Stempel-Verfahrweg während sich die Bedienkraft verdoppelt. FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 44 / 66 Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ’98 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin 13.3.3 Dose auswerfen Schiefe Ebene + Schwerkraft Wird dafür gesorgt, daß die Dose nach der Volumenreduktion auf einer schiefen Ebene liegt und durch keinen Anschlag mehr gehalten wird, kann sie die Ebene entlang aus dem Gerät herausrutschen. Falltür + Schwerkraft Durch einen Mechanismus öffnet sich die Auflage und die Dose fällt nach unten heraus. Z.B. könnte die Auflage wie gezeichnet zweigeteilt nach unten wegklappen. Schieber Ein linear verfahrender Stempel schiebt die Dose seitlich durch eine Öffnung aus dem Gerät heraus. Diesen Stempel könnte man eventuell zuvor schon zur Positionierung der Dose einsetzen. Automatischer Greifer Die Dose wird vom Greifer umschlossen, aus dem Gerät herausgetragen und fallengelassen bzw. abgelegt. Dose herausnehmen Der Bediener greift mit einer Hand in das Gerät und holt die Dose heraus. Dabei besteht die Gefahr, daß er sich an dem scharfkantigen Dosenblech verletzt. 13.3.4 Betriebsenergie schalten Die Betriebsenergie muß dem Gerät für die Dauer des Preß-/Schneidvorganges zugeführt werden. Wird die Energie nur durch die Muskulatur des Bedieners bereitgestellt, kontrolliert dieser bereits durch seinen Körper die Energiezufuhr. Ansonsten muß im Gerät die Energie zu- bzw. abgeschaltet werden. 13.3.5 Betriebsenergie in Kraft wandeln Wasserdruck Das Gerät wird an die Brauchwasserleitung im Haushalt angeschlossen. Der Wasserdruck von zwei bar wird verwendet, um die nötige Schneid- / Preßkraft aufzubringen, indem entweder ein Kolben in einem Druckzylinder bewegt oder eine Turbine bzw. ein Hydraulikmotor in Rotation versetzt wird. FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 45 / 66 Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ’98 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin 14. Ermittlung der optimalen Schneidenform 14.1 Versuchsbewertung Die folgenden Versuche wurden manuell durchgeführt und subjektiv bewertet. D.h. die erforderlichen Schnittkräfte wurden über das subjektive Gefühl und die Beobachtung des Versuchsführers miteinander verglichen und in ihrer Verwendbarkeit eingeordnet. 14.2 Ermittlung des optimalen Anschnitts Zur Ermittlung des optimalen Anschnitts wurde die Dose auf ihr Verhalten gegenüber drei Anschnittverfahren untersucht. Hierbei wurde erstens eine flachen Schneide senkrecht auf eine Dose aufgedrückt, zweitens eine flache Schneide in einem Winkel von 45° auf eine Dose aufgedrückt und drittens eine spitzte Schneide auf ihr Eindringverhalten untersucht. Skizze: Versuch 1 Versuch 2 Versuch 3 Ergebnis: Bei Versuch 1 verbiegt sich die Dose unter der Schnittkraft durch die Schneide, so daß die Schneide nun nicht mehr punktförmig, sondern flächig aufliegt. Hierdurch verteilt sich die Schnittkraft auf eine größere Fläche und macht ein Einschneiden beinahe unmöglich. Versuch 2 zeigt das gleiche Ergebnis wie Versuch 1, jedoch mit dem kleinen Unterschied, daß die Auflagefläche, die den Einschnitt verhindert, eine andere Position besitzt. Bei Versuch 3 dringt die Spitze einer 90°-Schneide schon bei 150 N ohne Probleme in die Dose ein. Hierbei zeigt sich, daß sich das Einschnittverhalten mit spitzer werdendem Winkel verbessert. FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 46 / 66 Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ’98 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin 14.3 Ermittlung der optimalen Schneidenlage 14.3.1 Versuch: Schneide Blech || Andruckkraft Versuchsbeschreibung Mit der Spitze eines Taschenmessers wurde zuerst in eine Dose eingestochen. Danach wurde die Schneide des Messers senkrecht zum zu schneidenden Dosenmaterial gestellt und dann senkrecht auf die Schneide gedrückt, so daß sie sich in die Kante des Blechs schnitt. F Skizze Schneide Verformung infolge der Schnittkraft Dose Ergebnis Anfänglich schnitt die Schneide recht gut, jedoch bildete sich nach kurzer Zeit direkt unter ihr ein Bereich, in dem das Blech in Richtung der Schneide umknickte, so daß diese nicht mehr punktförmig auf dem Blech auflag, sondern flächig auf einem Blechstück. Dadurch wurde die Schnittkraft großflächiger verteilt, was dazu führte, daß die zuvor benötigte Scherspannung jetzt nicht mehr ausreichte und die Dose bei Erhöhung der Schnittkraft weiter einknickte. Hierdurch legten sich nun mehrere Lagen Blech übereinander, die unmöglich von der Scheide zu durchtrennen waren. 14.3.2 Versuch: Schneide 45° Blech || Andruckkraft Versuchsbeschreibung Auch hier wurde mit der Spitze des Taschenmessers in eine Dose eingestochen, danach wurde aber die Schneide des Messers in einen Winkel von 45° zum zu schneidenden Dosenmaterial gestellt und dann wieder mit einer Andruckkraft in Richtung des Blechs auf die Schneide gedrückt. Anschließend wurde noch die Variation der Winkel der drei Einheiten zueinander verändert. Skizze F Schneide Verformung infolge der Schnittkraft FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Blech Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 47 / 66 Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ’98 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin Ergebnis Diese Anordnung zeigte ein recht gutes Verhalten während der Schnittbewegung, da zwar auch hier das Blech unter der Schneide einknickte, aber dies immer von der Schneide weg, so daß der kleine umgeknickte Grad rund war und somit wieder nur an einem Punkt auf der Schneide auflag, die nun bei leicht erhöhter Kraft auch diese Verformung durchtrennen konnte. 14.3.3 Versuch: Andruckkraft Schneide 45° Blech Versuchsbeschreibung: Wie bei Versuch 2 wurde die Schneide des Messers in einen Winkel von 45° zum Blech gestellt und mit einer Andruckkraft, nun aber senkrecht zur Schneide beaufschlagt, so daß sich die Schneide wiederum in das Blech schnitt. Auch bei diesem Versuch wurden die Winkel der drei Komponenten variiert. Skizze: F Schneide Verformung infolge der Schnittkraft Blech Ergebnis: Wie bei Versuch 2 verformte sich das Blech direkt unter der Schneide in eine rundliche Form, was auch hier wieder zu einer Punktauflage der Scheide aus dem Blech führte und von der Schneide unter geringer Krafterhöhung bewältigt werden konnte. Fazit: Die Versuche 2 und 3 zeigten gegenüber Versuch 1 erhebliche Vorteile hinsichtlich der erforderlichen Schnittkräfte und der Verwendbarkeit auf. Sie benötigten weit weniger Kraft als Versuch 1 und besaßen auch das bessere Schnittergebnis. Der Vergleich der Versuche 2 und 3 ergab keinen eindeutigen Favoriten. Die Variation der Winkel, in der die Schneide auf das Blech auftraf und der Richtung der Kraft zeigten bei den aufgezeigten Winkeln die beste Wirkung. FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 48 / 66 Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ’98 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin 14.3.4 Auswahl der besten Schneidenform Wie die beiden Versuchsreihen zeigen, ist die beste Schneidenform durch eine Schneide mit schrägen Schnittflächen und einer Spitze gekennzeichnet. Aus diesem Grund wurde in einem weiteren Versuch die Tauglichkeit einer 100°-Schneide untersucht, was zu einem befriedigenden Ergebnis führte. Skizze Hierbei wurden zum Einstechen maximal 150 N und zum Schnitt der Dose maximal 250 N gemessen. FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 49 / 66 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ’98 15. Lösungsalternativen Aus den Lösungskomponenten der Morphologie wurden zwei sinnvoll erscheinende Lösungsalternativen intuitiv zusammengestellt. Beide Alternativen bestehen aus den folgenden Lösungskomponenten: Problemelement FA Dose positionieren FB Dose halten FC FD FE FF FG FH Dose schneiden Dose pressen Dose auswerfen Betriebsenergie schalten Betriebsenergie in Kraft wandeln Kraft leiten FI FJ Kraft vergrößern Kraft umlenken Lösungsalternative Hand Lösungskomponenten X Achse: FA7 Vertiefung im Boden Y Achse: FA1 Anschlag + einlegen Z Achse: FA1 Anschlag + einlegen FB3 Vertiefung in Boden + Dose ablegen FC6 Spitze Schneide gegen Kante FD1 Ein Stempel - flach FE1 Schiefe Ebene + Schwerkraft entf. FG1 Muskulatur Arm / Hand Lösungsalternative Fuß Lösungskomponenten X Achse: FA7 Vertiefung im Boden Y Achse: FA1 Anschlag + einlegen Z Achse: FA1 Anschlag + einlegen FB3 Vertiefung in Boden + Dose ablegen FC6 Spitze Schneide gegen Kante FD1 Ein Stempel - flach FE1 Schiefe Ebene + Schwerkraft entf. FG1 Muskulatur Bein / Fuß FH7 Einfachhebel FH4 Druckstab FH7 FH3 FH4 FI6 FJ3 FI6 FJ6 Einfachhebel Einfachhebel Einfachhebel Bautenzug Druckstab Einfachhebel Bautenzug Tabelle 3 FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe 66 Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 50 / Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ’98 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin 15.1 Beschreibung der Lösungsalternativen Bei der Alternative Hand wird die Bedienkraft, die zum Verpressen der Dose führt, mittels eines Handhebels vom Bediener aufgebracht. Durch ein Gestänge wird diese Kraft verstärkt und auf den Stempel, an dessen Seite eine Schneide angebracht ist, geleitet und drückt diesen in Richtung des Bodens. Auf den Boden des Geräts, in dem sich eine flache Nut zum Zentrieren und Halten der Dose befindet, wird die Dose aufgelegt und vom Stempel gleichzeitig geschnitten und gepreßt. Nach dem Reduktionsvorgang wird der Stempel wieder in seine Ausgangsstellung zurückgefahren und der Boden des Geräts durch den Bediener schräg gestellt, so daß die Dose und der nun abgetrennte Boden nach hinten aus dem Gerät herausfallen. Bei der Alternative Fuß muß der Bediener die gesamte Reduktionsenergie mit seinem Fuß aufbringen, indem er durch die Verlagerung seines Gewichts auf ein Pedal, das am Boden steht, dieses niederdrückt. Die durch den Bediener aufgebrachte Kraft wird nun mittels eines Bautenzugs zu dem an der Wand befestigten Preßgeräts geführt. Hier wird der Stempel mit angefügter Schneide wiederum in Richtung des Bodens mit Nut gezogen. Dabei muß der Bediener jedoch gegen die Rückstellfedern des Stempels arbeiten, die den Stempel nach Beendigung des Reduktionsvorganges wieder nach oben ziehen. Zum Schluß wird auch hier der Boden vom Bediener weggeklappt, damit die Dose nach hinten aus dem Gerät rutschen kann. FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. E. Hettesheimer Seite 51 / 66 Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ’98 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin 15.2 Bewertung der Lösungsalternativen Bewertungskriterium Einfache Beschaffbarkeit der Bauteile Einfacher Bewegungsablauf für Bediener Geringer körperlicher Kraftaufwand Hohe Bedienersicherheit Geringer Platzbedarf Hohe Kompaktheit Geringer Verschleiß Einfache Montage Geringes Gewicht Summe der Bewertungen Kriteriengewicht 8 0,16 6 0,12 7 0,14 7 0,14 6 0,12 6 0,12 5 0,09 4 0,07 2 0,04 51 1 Lösungsalternative Hand ungewichtet gewichtet 7 1,12 7 0,84 6 0,84 7 0,89 5 0,60 7 0,84 7 0,63 6 0,42 4 0,16 56 6,34 Lösungsalternative Fuß ungewichtet gewichtet 5 0,80 8 0,96 7 0,98 7 0,98 5 0,60 4 0,48 6 0,54 7 0,49 3 0,12 52 5,95 Tabelle 4 FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe 66 Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 52 / Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ’98 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin 16. Designvorschlag Gehäuse Abbildung 11 Nicht zu sehen ist auf dieser Zeichnung der Handgriff, der auf der linken Seite zum Hochschwenken des Gehäuses befestigt ist. FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 53 / 66 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ’98 17. Berechnung kritischer Bauteile Kraft auf Schneide: FSmax = 250 N Kraft auf Stempel: Fpmax = 200 N Kraft mit Hand: FHmax = 300 N Sicherheitsfaktor für Überlast: sR = 1.2 Kraft zum Pressen und Schneiden der Dose FR FS max FP max sR 450 N 12 . 540 N FR = Reduktionskraft Kraft auf Druckstab BC = Kraft im Lager C FR 540 N FCmax 14 cm 688 N cos( ) 11cm FCx FC sin( ) 426 N FCy FR 540 N FR = Reduktionskraft FC = Kraft auf Druckstab cos() = 11cm / 14cm = 38.2° Handstab Lager C Druckstab Lager A Stempel Maximale Handkraft 1.Fall (Handhebel oben): M A 0 FCX 11cm FH 45cm sin( ) FH FCX 11cm 147 N 45cm sin( ) MA = Drehmoment um Lager A FCx = Kraft auf Druckstab in Richtung X FH = Handkraft = 45° angenommen FH Handstab Lager A 2.Fall (Handhebel unten): M A 0 FR 11cm FH 45cm FR 11cm 132 N 45cm MA = Drehmoment um Lager A FH = Handkraft FR = Reduktionskraft FH FH (132 N 147 N ) FH max 300 N FH = maximal erforderliche Handkraft FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 54 / 66 Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ’98 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin Kraft auf Lager A 1.Fall (Handhebel oben): FX 0 FAx FCx FH FAx FCx FH 426 N 147 N 279 N F Y 0 FAy FCy FC cos( ) 541N FA FAx2 FAy2 608 N FX = Kraft in Richtung X FY = Kraft in Richtung Y FA= Kraft auf Lager A 2.Fall (Handhebel unten): FX 0 FAx F Y 0 FAy FR FH FAy FR FH 608 N FA FAy 608 N FA= Kraft auf Lager A FAmax 608 N FAmax = maximale Kraft in Lager A Kraft in den Druckstäben B1C, B2C, B1B2 M B1 0 FS max 35mm sR FP max 52,5mm sR FB 2 y 80mm FS max 35mm FP max 52,5mm sR 27 N 80mm FSmax = maximale Schnittkraft FPmax = maximale Preßkraft sR = Sicherheitsfaktor FB 2 y M B2 0 FS max 115mm sR FP max 27,5mm sR FB1 y 80mm FS max 115mm FP max 27,5mm sR 514 N 80mm FSmax = maximale Schnittkraft FPmax = maximale Preßkraft sR = Sicherheitsfaktor FB1 y Überprüfung: FB1y + FB2y = 27N + 514N = 541N = FR = korrekt! FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 55 / 66 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ’98 C FB1C FB 2 C FB1B 2 FB1 y sin( ) FB 2 y sin( ) FB1 y 535 N 28 N B1 B2 FB1 y 162 N tan( ) tan( ) FB1, FB2, FB1B2 = Kräfte in den Druckstäben Querschnitte des Druckstabs F F d A d(St37) = 140..160N/mm2 A d A = Preßfläche F = Preßkraft d = Druckspannung AB1C FB1C 360 N 3,7mm2 140 N / mm2 AB 2 C FB 2 C 203 N 0,2mm2 140 N / mm2 d d FB1B 2 155 N 1,2mm2 2 d 140 N / mm AB1C, AB2C, AB1B2 = Querschnitte der Druckstäbe AB1B 2 Überprüfung der Knicklast: 2 EI FKzul lK2 v v = Sicherheitswert = 1,5 (Vorgabe) E = Elastizitätsmodul = 196..216 kN/mm2 für St37 lK = 140mm / sin() = 146mm h4 I 12 I = Flächenmoment eines quadratischen Druckstabes h = Kantenlänge h hB1C hB 2 C hB1C FK lK2 v 12 2 E 3,2mm 1,6mm 1,77mm FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 56 / 66 Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ’98 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin für B1C, B2C, B1B2 gewählt: h = 8mm (bessere Verarbeitbarkeit, M4-Gewinde) Durchmesser der Bolzen an Lager B1, B2 Abscherung: F a azul ab ab 0,8 Rm S v a = Abscherspannung azul = zulässige Abscherspannung v = Sicherheitszahl = 1,5 (Vorgabe) Rm = Zugfestigkeit = 470 N/mm2 für St37 F = Scherkraft S = Querschnittsfläche S F a F v ab F v 0,8 Rm S B1 2,05mm2 B1 1,7mm S B 2 0,1mm2 B 2 0,4mm B1, B2 = Minimaldurchmesser der Bolzen Flächenpressung: F F p A A p p = Flächenpressung = 140..160 N/mm2 für St37 F = angreifende Kraft A = Querschnittsfläche A F a F v ab F v 0,8 Rm FB1y A 3,7mm2 lB1 B1 2,1mm 2 140 N / mm B1 FB 2 y A AB 2 0,2mm2 lB1 B1 0,5mm 2 140 N / mm B1 AB1, AB2 = Minimale Querschnittsfläche der Bolzen lB1, lB2 = minimale Länge der Bolzen bei geg. Durchmesser AB1 Durchmesser des Bolzens in Lager C F a azul ab ab 0,8 Rm S v a = Abscherspannung azul = zulässige Abscherspannung v = Sicherheitszahl = 1,5 (Vorgabe) Rm = Zugfestigkeit = 470 N/mm2 für St37 FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 57 / 66 Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ’98 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin F = Scherkraft S = Querschnittsfläche nach Abscherung: F F v F v S a ab 0,8 Rm FC 1,5 SC 2,8mm2 2 0,8 470 N / mm SC 4 1,32mm 2 C = Minimaler Durchmesser des Bolzens C nach Flächenpressung: F F p A S p p = Flächenpressung = 140..160 N/mm2 für St37 A = Auflagefläche F = angreifende Kraft FC max A 4,91mm2 lC C 3,73mm p C lC = Minimale Länge der Bolzenauflage AC für Blozen in Lager C gewählt: = 4mm (bessere Verarbeitbarkeit) Lager A nach Abscherung: F v S A 2,43mm2 0,8 Rm A S 4 1,76mm A = Durchmesser des Bolzens in Lager A nach Flächenpressung: F F p A S p p = Flächenpressung = 140..160 N/mm2 für St37 FA A 4,2mm2 l A A 2,4mm p A lA = Minimale Breite des Lagerbocks AA FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 58 / 66 Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ’98 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin Handstab nach Torsion: MTc FB1y 40mm FB 2 y 40mm 19,5Nm MTc = Torsionsmoment M d3 T T WP WP 32 3 M T 32 7,6mm T = Minimaler Durchmesser des Handstabes nach Durchbiegung: M d3 b b W W 32 F 110mm 340mm 32 d 3 12,61mm 450mm b d = Minimaler Durchmesser des Handstabes für Handstab gewählt: = 18mm (wegen Bohrungen) Bodenplatte gegen Durchbiegung bei Langloch M 1 0 FS sR 13mm FP sR 95mm FBr 185mm FBr 145N F Y 0 FBl FS sR FP s R FBr FBl 396 N Mb FBl 13mm FS 3mm sR FP 82 mm sR FBr 173mm 1157 Nmm Mb b h2 W W 6 M 6 1157 Nmm 6 b b 2 8,17 N / mm2 bzul bh 34 mm 25mm2 W = axiales Widerstandsmoment für Rechteck b = Breite des Steges = 170mm - 130mm - 2 • 3mm = 34mm h = Höhe des Steges = t = 5mm bzul = zulässige Biegespannung = 290 N/mm2 für St37 b FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 59 / 66 Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ’98 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin 18. Sicherheit / Personenschutz Die Gesundheit des Bedieners ist hauptsächlich auf zwei Arten gefährdet: Schneiden Einklemmen der Hand bzw. der Finger Schutz gegen Schnittverletzungen: Der halbautomatische Auswurf verhindert den Kontakt der Bedieners mit der scharfkantigen Dose. Der Schneidenschutz verhindert Schnittverletzungen beim Einlegen der Dose und bei der Reinigung des Gerätes. Schutz gegen Einklemmen: Das Hebelsystem ist durch das Gehäuse abgeschirmt. Um die Zeit für den Preßvorgang möglichst kurz zu halten, wird der Bediener vermutlich mit der linken Hand bereits den Griff für den Auswurf umfassen, während er noch mit der rechten Hand den Hebel zieht. Auf die Frontseite des Gehäuses wird ein Aufkleber (min. 7 x 8 cm) angebracht, der folgendes oder ein ähnliches Piktogramm zeigt: Nicht in das Gerät fassen, wenn der Hebel gezogen wird! Auf eine Tür zur vollständigen Abschirmung des Preßraumes wird verzichtet. Der technische aufwand für eine automatische Tür ist höher, als der Aufwand für das gesamte restliche Gerät und eine manuell zu bedienende Tür würde die Anzahl der nötigen Handgriffe erhöhen, wodurch das Produkt an Attraktivität verlieren würde. FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 60 / 66 Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ’98 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin 19. Erklärung Hiermit erklären wir, Thorsten Breuer und Jürgen Sütterlin, daß wir diese Studienarbeit ohne Hilfe von Dritten und ausschließlich mit erlaubten Hilfsmitteln erstellt haben. Verwendete Quellen sind als solche im Literaturverzeichnis gekennzeichnet. ___________________ Thorsten Breuer FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe ___________________ Jürgen Sütterlin Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 61 / 66 Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ’98 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin 20. Anhang Fachhochschule Karlsruhe Fachbereich Mechatronik Fachrichtung Mikro- und Feinwerktechnik Postfach 2440 Moltkestraße 30 76133 Karlsruhe Tel: (0721) 925-0 Fax: (0271) 925-2000 20.1 Literaturliste Fertigung 1 Vorlesungsskript Prof. Dr. Michael C. Wilhelm Fachbereich Mechatronik Fachrichtung Mikro- und Feinwerktechnik 2. Semester Fachhochschule Karlsruhe Konstruktion 1 Vorlesungsskript Fachbereich Mechatronik Fachrichtung Mikro- und Feinwerktechnik 1. Semester Fachhochschule Karlsruhe Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau FH-Bib: UE 1.3 DUB W. Beitz / K.-H. Küttner Springer-Verlag Konstruktionslehre Methoden und Anwendung FH-Bib: UA 8.1 PAH Pahl / Beitz Springer-Verlag Maschinenelemente Normung Berechnung Gestaltung FH-Bib: UE 9.1 ROL Roloff / Matek Vieweg-Verlag Hütte FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 62 / 66 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ’98 Die Grundlagen der Ingenieurwissenschaften 29. Aufl Springer-Verlag Konstruieren mit Konstruktionskatalogen K. Roth Uni-Bib: Springer-Verlag Lexikon Werkstofftechnik Prof. Dr. rer. Nat Dr-Ing. E.h. Hubert Gräfen FH-Bib: DU 1.3 Lex VDI-Verlag Lehrbuch der Umformtechnik Kurt Lange FH-Bib: Ua 4.3 Le Springer-Verlag Formeln und Tabellen zur Technischen Mechanik Alfred Böge Vieweg-Verlag 16. Aufl. Webseiten: - Duales System Deutschland: - Deutsches Verpackungsinstitut e.V. (DVI) und Bund Deutscher Verpackungsingenieure e.V. (BDVI): - INTERPACK Messe Düsseldorf ‘96/ ‘99 www.gruener-punkt.de www.verpackung.org www.tradefair.de/interpack99 - Links zu Verpackungsherstellern: www.tradefair.de/interpack99/D/FRAMESET.HTM?F0000000.HTM FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 63 / 66 Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ’98 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin 20.2 Stückliste Pos Anzahl ZNr. Bezeichnung Werfstoff 9 1 0001 Handhebel St37k Rd 18 x 500 3 1 0002 Druckstab B1B2 St37k VKT 8 x 8 x 81 4 2 0003 Druckstab BC St37k VKT 8 x 8 x 112 15 1 0004 Schneidenschutz St37k 170 x 57 x 2 14 1 0005 Schneide St37 56 x 5 x 130 2 1 0006 Bodenplatte St37k 170 x 206 x 5 17 1 0007 Stempelplatte St37k 130 x 175 x 4 13 2 0008 Lagerbock B St37k VKT 10 x 10 x 10 11 1 0009 Lagerbock C St37k 36 x 8 x 30 10 3 0010 Lagerbock A & D St37k U 30 x 24 x 8 12 2 0011 Lager D St37k 15 x 40 x 3 1 4 0012 Abstandshülse Rohr DIN2391- St37 – 8 x 1.5 5 1 0013 Fschlitten St37k VKT 16 x 30 x 31 7 2 0014 Führungshalterung St37k U 30 x 15 x 70 6 1 0015 Führung St37k U 30 x 15 x 195 16 2 0016 Seitenblech St37k 170 x 340 x 3 8 1 0017 Grundplatte St37k 500 x 259 x 2 18 19 2 M4x30-Innensechskantschr. Zyl. DIN 912-M4x30-8.8 20 4 M4x40-Innensechskantschr. Zyl. DIN 912-M4x45-8.8 21 8 M4-Mutter Sechskantmutter DIN ISO 4032-M4x7-8 22 23 24 Die Bauteile für die Wandbefestigung sind nicht in dieser Liste enthalten! 25 26 27 Tabelle 5 FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 64 / 66 Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ’98 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin 20.3 Zeichnungsliste Zeichnungsnr. 0001 0002 0003 0004 0005 0006 0007 0008 0009 0010 0011 0012 0013 0014 0015 0016 0017 Bezeichnung Handhebel Druckstab B1B2 Druckstab BC Schneidenschutz Schneide Bodenplatte Stempelplatte Lagerbock B Lagerbock C Lagerbock A, D Lager D Abstandshülse Führungsschlitten Führungshalterung Führung Seitenblech Grundplatte 0101 0102 0103 0104 0105 0106 0107 Druckstab Seite gesamt Stempel Gehäuse Führung gesamt Rückplatte Komplettzeichnung 0201 Verfahrwegskizze Tabelle 6 FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 65 / 66 Konstruktion 3 Volumenreduktion von Blechdosen Studienarbeit SS ’98 Gruppe: T.Breuer J. Sütterlin 20.4 Zeichnungen FH-Karlsruhe, Fachbereich Mechatronik, Moltkestr. 30, 76133 Karlsruhe Dozent. Prof. Dr. E. Hettesheimer Seite 66 / 66
