Analyseer hoe de pastamaker zal worden gebruikt In de inleiding is al gegeven dat het product uit de losse hand bedienbaarbaar is, vast te maken aan een tafelblad, goedkoop moet zijn en eenvoudig te demonteren. De gebruiker zal de volgende stappen moeten ondernemen om pasta te kunnen bereiden in de pastamaker. We gebruiken voor deze stappen een procesboom Fase
Activiteit
Specificatie
Aantekeningen
Apparaat klaarmaken
Spindel omhoog draaien
Spindel dmv dwarsstang draaien tot uiterste stand.
persplaat raakt geleidingsdop
Apparaat open maken
Geleidingsdop losdraaien
Extrusiedop vastdraaien
(als dit nog niet gebeurt was)
Voorbereiden pasta opvangen
Opvangbak klaarzetten
Apparaat gebruiken
Apparaat vastzetten
Vasthouden in hand/monteren op tafel
(verschil in voorbeeld en ontwerpopdracht)
Inhoud toevoegen
Container vullen met deeg
Pasta maken
Spindel draaien
Apparaat afwassen
Apparaat demonteren
Alle onderdelen uit elkaar halen
Onderdelen schoonmaken
Afwasmachine
Eisen De vijf losse onderdelen zijn demonteerbaar binnen 1 minuut Het product is vast te maken aan een oppervlak met een dikte van maximaal 5 centimeter In het reservoir moet minimaal 100 gram deeg passen. Product is met losse hand te bedienen wanneer hij gemonteerd is aan de tafel De container dient uit kunststof te worden vervaardigd. Waar zulke welke belastingen optreden? Spindel Axiaal kracht in de lengte en torsie Persplaat en extrusie dop staan onder invloed van de drukkracht Dwarsstang Stress en strain Handvat normaalkracht Gegevens die voorhanden zijn: De spindel is normaliter voorzien van trapeziumschroefdraad. Overige gegevens staan al genoemd bij de eisen. Gegevens die bepaald/berekend dienen te worden: afmetingen doorsnede container, dwarsstang, spindel en handvat materialen van onderdelen krachten op extrusiedop, dwarsstang, spindel, geleidingsdop en persplaat kosten van onderdelen afmetingen doorsneden van eventuele verbindingen/bevestigingsmiddelen Oneigenlijk gebruik Het product moet een val van 1,5 meter kunnen overleven Produkt hoeft niet te kunnen tegen andere voorwerpen dan pasta die erin worden gestopt (zoals bv. een knikker door een kind)
Concepten Ontwerpen Bij het ontwerpen van onze concepten hebben we gelet op functionaliteit, vorm en vereiste afmetingen van de onderdelen. Eerst hebben we hkj’s opgesteld en de deeloplossingen vervolgens in een morfologische kaart verwerkt zoals hieronder te zien is.
Concept A.
Concept B.
Concept C.
Dit concept wordt aan een tafelrand geklemd met behulp van een lijmklemprincipe. Het handvat blijft zoals het is, omdat met hiermee de meeste kracht kan worden uitgeoefend. De onderdelen zitten aan elkaar bevestigd met behulp van een schroefverbinding.
Dit apparaat maakt gebruik van de schuifklem. De onderste grip wordt steeds meer omhoog geduwd tot hij om de tafel klemt. Om de spanning los te laten wordt de linkerknop ingedrukt waardoor de scharniertjes loskoppelen en de klemmen weer uit elkaar te halen zijn.
Dit laatste concept wordt aan een tafelrand bevestigd met behulp van een klem, die werkt op een veer. Het handvat volgt het principe van een pepermolen en de onderdelen zitten aan elkaar bevestigd met behulp van een ‘haakendraaibevestiging’.
Conceptkeuze. We hebben de voor en nadelen van de drie concepten bekeken en hebben besloten voor het eerste concept te kiezen. De klem is af te stellen op meerdere tafels. Aan de andere kant van de container is ruimte over voor een handvat, zodat het apparaat ook uit de losse hand te bedienen is. De klem van concept C leek ons te instabiel voor de hoeveelheid kracht die op het apparaat komt te staan. Concept B was beter, maar ook deze klem is moeilijk goed strak om de tafel te krijgen. Concept A hebben we verder uitgewerkt met klem en afmetingen. Voor de afmetingen van het handvat hebben we DINED geraadpleegd. Voor het gebruikersgemak is het fijn om een handvat waarvan de omtrek tenminste net zo groot is als de omtrek van de binnenkant van je hand. Daarom hebben wij gekozen om als omtrek van het handvat de 99% grootste maat van Dined te gebruiken.
Omtrek binnenkant hand mannen 2030: 165 mm Omtrek binnenkant hand vrouwen 2030: 143 mm Gemiddelde mannen en vrouwen 2030: 154 mm Voor de breedte doen we hetzelfde; we gaan uit van de 99% meest brede groep mensen.
Handbreedte zonder duim mannen 2030: 103 mm Handbreedte zonder duim vrouwen 2030: 88 mm Gemiddelde mannen en vrouwen 2030: 96 mm De hoofdafmetingen zijn hetzelfde gebleven als de richtlijnen van de opdracht; 270 mm hoog en 150 mm breed. De klem moet maximaal een afstand van 5 cm kunnen inklemmen dus dit is dan ook de afstand tussen beide klemmen.
Materiaalkeuze De container van het product moest gemaakt worden van kunststof. Voor de uniformiteit hebben we ervoor gekozen om de extrusiedop ook van kunststof te maken. We hebben hiervoor gekozen omdat de belasting van de extrusiedop doorgegeven wordt aan de container in ons ontwerp en de belasting dus niet alleen materiaalafhankelijk is. We hebben enkele eisen van tevoren opgesteld waar de materialen aan moesten voldoen. Belangrijke eisen zijn dat de materialen vochtbestendig zijn (i.v.m. het afwassen) en de belasting kunnen dragen. Hiervoor hebben we gekeken naar de Young’s modulus en de yield strength.
Op grond hiervan hadden we een lijst gemaakt met materialen die we konden gebruiken (met in het oog houdend dat de prijs niet te hoog zal worden; hoewel dat in dit stadium nog niet doorslaggevend zal zijn). De volgende materialen kwamen in aanmerking voor het product: nickel chromium alloys, stainless steel. We hebben ook gekeken naar medium carbon steel en low alloy steel, maar omdat deze niet perse vochtbestendig zijn (maar wel goedkoop), besloten we om door te gaan met de eerste twee opgenoemde materialen. We hadden overwogen om enkele onderdelen die met de hand vastgepakt moeten worden; de handvatten, te laten maken van ‘comfortabel materiaal’. Maar omdat comfort nauw samenhangt met het ergonomische ontwerp hadden we besloten om dezelfde eis te stellen aan dit materiaal (vochtbestendig), en het comfortfactor te laten bepalen door de vorm. De volgende materialen kwamen in aanmerking: PA en PE. Beide worden gebruikt in de uitrusting van keuken en/of voedselpreparerende producten en zijn vochtbestendig.
Tussen de klemmen wilden we ook nog materiaal plaatsen waardoor het oppervlak waar het product aan bevestigd wordt onbeschadigd blijft. We hebben gekozen voor de volgende opties: natural rubber en polyisopreen rubber. Dit omdat het elastisch maximum voor deze twee materialen hoog lag. Om de kosten te drukken van het product wilden we op grond van prijs een keuze maken uit de twee materiaalopties voor elk onderdeel.
De opties die we hadden gekozen voldoen allemaal aan onze eisen (belasting kunnen dragen en vochtbestendig). We wilden de knoop doorhakken door te kijken naar welk van de twee opties het goedkoopst waren. In de figuur hierboven is te zien dat stainless steel goedkoper is dan nickel chromium alloys; PE goedkoper is dan PA en NR goedkoper is dan IIR.
Uiteindelijk materiaalkeuze zoals hierboven weergegeven, waarbij we voor de kunststof container , de extrusiedop en voor het handvat van de tafelklem hebben gekozen voor HDPE. Dit omdat HDPE de benodigde stijfheid en sterkte voor deze onderdelen bevat. De dopjes op de uiteinden van de dwarsstang zullen worden vervaardigt uit LDPE, aangezien dit comfortabeler aan zal voelen.
Modelleren Dwarsstang Op het moment dat de gebruiker aan de hendel draait/de hendel wegduwt, zal er shear stress ontstaan. De formule voor shear stress is τ = F/A. τ voor RVS is 7484 GPa en F is de kracht die de hand levert; hiermee kunnen we de benodigde oppervlakte berekenen en daarbij ook de straal. Ook zal er buiging optreden. Om deze te berekenen gebruiken we de volgende formule: σ = (My)/I. σ is yield strength, voor RVS is dat 170 1000 MPa; M is hier het moment wat zal ontstaan door de kracht van de hand; y is de loodrechte afstand tot de xas, dat is hier de straal en I is te berekenen met π/4r4 Spindel In de spindel zal het meeste torsie ontstaan als hij helemaal naar beneden is gedraaid. De extrusiedop zal dan namelijk op de spindel drukken. Om dit te berekenen hebben we het moment nodig. Deze komt direct van de dwarsstang. τ = (TR)/J; τ is de stress; T is het moment van de dwarsstang, R is de straal en J kan gevonden worden met (π/2)(R0Ri)4. Op het moment dat de spindel helemaal naar boven gedraaid is en men draait aan de dwarstang, zal er buiging optreden. Deze is te berekenen met σ = (My)/I. belangrijke parameters: rd = straal dwarsstang rs = straal spindel, ld = lengte dwarsstang ls = lengte spindel lh = lengte handvat rh = straal handvat E = Emodulus S = Shear modulus Fhand = kracht die moet worden geleverd door de gebruiker
FBD’s afzonderlijke onderdelen Dwarsstang
Belasting ❏ Buiging ❏ Dwarsbelasting Mechanische eigenschappen: ❏ Buigsterkte ❏ Elasticiteit ❏ Vervorming Spindel
Belasting: ❏ Axiale belasting ❏ Dwarsbelasting ❏ Torsie Mechanische eigenschappen: ❏ Druksterkte ❏ Elastische vervorming
Geleidingsdop
Belasting: ❏ Axiale belasting ❏ Buiging ❏ Dwarsbelasting ❏ Torsie Mechanische eigenschappen: ❏ Buigsterkte ❏ Druksterkte ❏ Hardheid Persplaat
Belasting: ❏ Axiale belasting Mechanische eigenschappen: ❏ Druksterkte ❏ Hardheid
Container
Belasting: ❏ Axiale belasting ❏ Torsie Mechanische eigenschappen: ❏ Druksterkte ❏ Hardheid Klemring
Belasting: ❏ Axiale belasting Mechanische eigenschappen: ❏ Druksterkte ❏ Hardheid
Handvat
Belasting: ❏ Dwarsbelasting ❏ Buiging Mechanische eigenschappen: ❏ Buigsterkte ❏ Elasticiteit ❏ Hardheid Extrusiedop
Belasting: ❏ Axiale belasting Mechanische eigenschappen: ❏ Treksterkte ❏ Elastische Vervorming Productanalyse
Productie De belangrijkste materiaaleigenschappen bij het vervaardigen van de productonderdelen zijn; ● het smeltpunt van het materiaal, aangezien het productieproces hieraan aangepast dient te worden ● Ook is het belangrijk hoe het materiaal zich gedraagt onder verschillende productietechnieken ● En tot slot de kosten van de gebruikte productietechnieken van een materiaal. Zo zullen de kosten hoger zijn voor de gebruikte productietechnieken voor RVS dan voor PE. ● Verder geeft CES Edupack per materiaal op een schaal van een to vijf aan in hoeverre een materiaal geschikt is voor bepaalde productietechnieken. Bij PE en natural rubber worden de castability, de moldability, formability, machinability en weldability weergegeven. Daarnaast wordt bij RVS ook de solder/brazability weergegeven. Op basis van deze materiaaleigenschappen hebben we de volgende productietechnieken gekozen: De container, extrusiedop, geleidingsdop, tafelklem, de afsluitdopjes van de dwarsstang en het handvat van de tafelklemspindel worden alle vervaardigt mbv spuitgieten. Dit omdat spuitgieten snel en goedkoop is. Het schroefdraad van de container, extrusiedop en geleidingsdop wordt uitgesneden. Verder worden het gat in de geleidingsdop voor de spindel en de persplaat simpelweg uitgestanst. De spindels worden uitgeëxtrudeerd en het schroefdraad wordt erin verwerkt dmv schroefrollen, omdat dit het snelst het sterkste resultaat geeft. Ook de dwarsstang wordt uitgeëxtrudeerd en voor de spindel wordt een gat erin geboord. Voor de klemring wordt het RVS simpelweg gebogen en tot slot worden de beschermrubbers van de tafelklem mbv compressie vervaardigd. Deze beschermrubbers worden op de klem gelijmd, verder wordt alles mechanisch aan elkaar bevestigd mbv robots of indien nodig met de hand. Vanwege deze gekozen productietechnieken, zal het gehele proces snel en goedkoop geschieden.
Evaluatie • Heb je de dwarsstang, de spindel en het handvat sterk en stijf genoeg ontworpen? Kan de geometrie nog worden geoptimaliseerd/aangepast? Wij zijn van mening dat de dwarsstang, spindel en handvat zeker sterk en stijf genoeg zijn ontworpen. We hebben materialen uitgezocht die goed aansloten bij de eisen van sterk en stijfheid. Daarnaast hebben we zelfs nog een veiligheidsmarge genomen, zodat wanneer extra kracht op het apparaat wordt uitgeoefend het product sterk genoeg is om deze krachten aan te kunnen. • Is je materiaalkeuze acceptabel of kan deze nog worden geoptimaliseerd/aangepast?
Ons product bestaat niet uit enorm veel verschillende materialen en is daarom makkelijk en goedkoop te produceren. We hebben gelet op eigenschappen en kosten van het fabriceren bij het kiezen van de materialen, en zijn nog steeds tevreden over deze keuze. De materialen zijn veilig, sterk, en goedkoop. • Is je ontwerp te produceren i.r.t. de geometrie en het gekozen materiaal? Wat we niet genoeg uitgewerkt hebben, is de aansluiting van het handvat op de container. Nu zijn we uitgegaan van lijmen maar voor productie was het waarschijnlijk handiger geweest om een schroef of iets dergelijks ertussen te zetten. Voor de rest is ons ontwerp goed te produceren, op een eenvoudige en vlugge manier.
