Artikel
IDE442 MATERIALISEREN
2001
DE BROODROOSTER Wouter van Dillen, Rogier Hartgring, Bart Ruijpers, Remko Waanders & Guido Zwanenburg Zo’n 75% van de Nederlandse huishoudens is in het bezit van een broodrooster. Hierdoor is het een behoorlijk doorontwikkeld product. Desondanks zijn er nog een aantal punten voor verbetering vatbaar. Een veelvoorkomend probleem hierbij is de warmteontwikkeling aan de buitenzijde van de behuizing. Vooral rondom de openingen aan de bovenzijde van het broodrooster loopt de temperatuur onder invloed van convectie flink op. Buiten het feit dat dit leidt tot onaanvaardbaar hoge temperatuur van de delen die direct bereikbaar zijn voor de gebruiker, kan dit bij de kunststof broodroosters ook nog resulteren in verweking van het kunststof (vooral na zo’n 6 á 7 aaneengesloten gebruikssessies). Bij metalen broodroosters wordt de behuizing, door de hoge geleidingcoëfficiënt van het materiaal, na enkele sessies al zo heet dat de broodrooster niet meer met de blote handen opgepakt kan worden. PROTOTYPE BROODROOSTER Alvorens over te gaan tot het formuleren van onze doelstelling, eerst een overzicht van de opbouw van een prototype broodrooster. 1. De behuizing heeft twee hoofdfuncties: Het bepalen van het uiterlijk en de gebruiker beschermen tegen de hete delen binnen in de rooster. 2. De veer trekt de draagarm met daarop het geroosterde brood omhoog. 3. De geleiderails zorgt voor het geleiden van de draagarm in verticale richting. 4. De draagarm ondersteunt het brood. 5. De schuifknop heeft naast een interactie functie, dezelfde functie als de behuizing. 6. De afstandhouders voorkomen dat het brood vroegtijdig verkoold doordat het tegen een verwarmingselement aan valt. 7. Het verwarmingselementen zorgt voor het verhitten van het brood. Er zijn twee soorten elementen: Mica plaatjes waar omheen een draad van Nikkel-chroom is gewikkeld, en een keramische staaf welke is omwikkeld met gloeidraad. 8. Het snoer verzorgt de stroomtoevoer vanuit het stopcontact. 9. De draagconstructie is verantwoordelijk voor de stijfheid van het geheel. 10. De stralingsschilden dienen als een blokkade voor de straling van het element. 11. Het tijdmechanisme schakelt het verwarmingselement na de ingestelde tijd uit en zorgt ervoor dat het brood wordt uitgeworpen. 12. Kruimellade vangt de kruimel op en vergemakkelijkt het schoonmaken. 13. De poten zorgen voor een ontkoppeling tussen de warmte van de rooster en het tafelblad waarop de rooster rust.
© Faculteit Industrieel Ontwerpen
De exploded view van een prototype broodrooster
1
Technische Universiteit Delft
Artikel
IDE442 MATERIALISEREN
2001
DOELSTELLING Aangezien de meeste problemen ontstaan rondom de behuizing zullen we ons in dit onderzoek hier dan ook tot beperken. Voor de behuizing gaan we op zoek naar een materiaal dat het beste kan worden toegepast. Een aantal aspecten komt hierbij specifiek aan de orde: De broodrooster moet ten alle tijden opgepakt kunnen worden; De broodrooster moet bestand zijn tegen een val van de keukentafel; De broodrooster moet aansluiten bij de trend naar ‘metallic’ keukenapparaten. ONDERZOEK Om inzicht te krijgen in de warmtestroom binnen de broodrooster zijn er een aantal vragen die beantwoord moeten worden. Wat is de maximaal toegestane buiten temperatuur? Hoe warm wordt de binnenzijde van de behuizing? Maximaal toegestane buitentemperatuur In de hieronder getoonde tabel staan een aantal waarden waaruit de maximaal toegestane buitentemperatuur kan worden afgelezen. Voor kunststof is een temperatuur van 60 °C voldoende terwijl bij metaal dit rond de 51 °C ligt. Tabel 1 Maximale temperatuur bij gegeven aanrakingstijd
1s
4s
10 s
60 s
Metaal
70 °C
63 °C
60 °C
51 °C
Kunststof
94 °C
82 °C
77 °C
60 °C
Wanneer we er vanuit gaan dat de warmteoverdracht door de wand bij een kunststof en metalen buitenwand gelijk blijft dan kunnen we dus stellen dat een kunststof broodrooster een minder dikke wand behoeft dan een metalen broodrooster. De temperatuur van de binnenzijde Om te bepalen welk materiaal er toegepast kan worden, moet eerst bepaald worden welke temperatuur de binnenkant van de buitenwand heeft. Deze temperatuur is bepaald door hem te meten. In de hiernaast getoonde tabellen is het temperatuurverloop op de aangegeven meetpunten te vinden. Wat opvalt is dat de metalen broodrooster een absurd hoge buitentemperatuur kan bereiken. Tabel 2 Temperatuurverloop bij de kunststof broodrooster (gedurende 7 sessies)
T1 0
22.2
T2
o P
P
C
20.7
1
49.5
2
42.5
3
70.0
4
73.7
5
77.8
6
82.3
7
84.0
o P
P
o P
P
o P
P
o P
P
o P
P
C
52.2
C
58.1
C
64.2
C
68.0
C
71.4
T3
o P
P
o P
P
o P
P
o P
P
o P
P
o P
P
o P
P
o P
P
C
20.0
C
190.8
C
219.3
C
236.0
C
248.0
C
256.3
C
260.6
C
260.9
© Faculteit Industrieel Ontwerpen
T buiten B
o P
P
o P
P
o P
P
o P
P
o P
P
o P
P
o P
P
o P
P
C 2
B
o P
P
C
C C C C C C C 65
o P
P
C
2
Technische Universiteit Delft
Artikel
IDE442 MATERIALISEREN
2001
Tabel 3 Temperatuurverloop bij een metalen broodrooster (gedurende 6 sessies)
T1 0
20.8
1
84.0
2
99.0
3
115.2
4
111.4
5 6
129.0 132.0
T2 o P
P
o P
P
o P
P
o P
P
o P
P
o P
P
o P
P
C 20.8 C 85.0 C 98.1 C 112.1 C 103.0 C 120.0
T3 o P
P
o P
P
o P
P
o P
P
o P
P
o P
P
B
o
C 23.0
P
C 177.0 C 243.3 C 261.4 C 230.0
T3
T buiten P
o P
P
o P
P
o P
P
o P
P
C 21
o P
P
C
C
T2 T3
T2 T1
C C C Zijwand
C
C
T1
B
65
o P
P
Brood
Zijwand Schild
Hitteelement
Brood
Hitteelement
C Figuur 1 Meetpunten bij respectievelijk kunststof en metalen broodrooster
Conclusie Wat de geleidingcoëfficiënt betreft komen kunststoffen er beter vanaf (zij geleiden warmte nu eenmaal minder goed dan metalen). Wanneer we er vanuit gaan dat de warmteoverdracht door de wand bij een kunststof en metalen buitenwand gelijk blijft dan kunnen we dus stellen dat een kunststof broodrooster een minder dikke wand behoeft dan een metalen broodrooster. De keuze valt hiermee dus op kunststof. MATERIAALEIGENSCHAPPEN Om tot de juiste materiaalkeuze te komen zijn er een drietal factoren van belang: Welke kunststoffen komen in aanmerking, gelet op hun gebruikstemperatuur en warmtegeleidingscoëfficiënt? Welke toevoegingen zijn gewenst? Op welke manier kan het kunststof voorzien worden van een ‘metallic’ look? Kunststoffen Aan de hand van de gegevens in onderstaande tabel is ervoor gekozen om PP te gaan toepassen. Behalve dat dit materiaal de hoogste gebruikstemperatuur heeft, is het ook goedkoop en bezit het de meest ideale mechanische eigenschappen. Dit betekent echter niet dat er gebruik moet worden gemaakt van zuiver PP, want door het toevoegen van hulp- of vulstoffen kunnen de eigenschappen van het materiaal nog verder verbeterd worden. Tabel 4 Materiaaleigenschappen van enkele kunststoffen
Gebruikstemp.
Prijsindex
Mechanisch gedrag
Warmtegeleidingscoëff.
PP
110
1.00
++
0.3
ABS
85-100
1.98
+
0.2
PEEK
300
>10
++
0.2
Materiaal toevoegingen Binnen het bereik van PP zijn er nog een groot aantal variaties beschikbaar door gebruik te maken van hulpstoffen of vulstoffen. Vulstoffen worden gebruikt om de prijs te drukken. Voor de broodrooster zijn we juist uit op verbetering van de mechanische eigenschappen. In de hiernaast getoonde tabel staan enkele hulpstoffen opgesomd. Op grond van deze gegevens wordt ervoor gekozen om talk te gebruiken. Deze stof verbetert de mechanische eigenschappen voldoende en is goedkoop. Glasvezel en koolstofvezel vallen
© Faculteit Industrieel Ontwerpen
3
Technische Universiteit Delft
Artikel
IDE442 MATERIALISEREN
2001
af op grond van de prijs. Mica wordt meestal gebruikt voor onderdelen die niet te zien zijn vanwege de slechte oppervlaktekwaliteit hiervan. Bij een massapercentage van ongeveer 30% talk zal de meest optimale combinatie van sterkte, hittebestendigheid en kostprijs bereikt worden. Tabel 5 Hulpstoffen voor PP
Eigenschappen Glasvezel
hogere trekstrekte grotere stijfheid hogere hitte-bestendigheid
Talk
goedkoop lagere stijfheid hogere hittebestendigheid lagere kruip
Mica
betere warmteweerkaatsing geluidsabsorberend gespikkeld oppervlak
Koolstofvezel
hogere chemische bestendigheid lagere thermische uitzetting hogere treksterkte kostprijsverhogend
Oppervlaktebehandeling Er zijn voor kunststof verschillende manieren om het oppervlak een ‘metallic’ uiterlijk te geven: Electroplating Metallisatie (opdampen) Verven Pigment Electroplating Bij electroplating wordt de kunststof voorzien van een laagje metaal. ABS geldt als een van de meest geschikte kunststoffen om te electroplaten. De reden hiervoor is dat ABS weinig krimp vertoont, en PP juist veel. Metalliseren (opdampen) Bij het metalliseren van kunststoffen wordt er een dunne metalen laag, veelal aluminium, onder vacuüm op het oppervlak aangebracht. Verven De reden om tot verven over te gaan komt vaak voort uit het feit dat met andere technieken een zelfde soort oppervlak niet te behalen is. De voornaamste reden zijn: Meerdere componenten, uit verschillende materialen en op verschillende wijzen vervaardigd, moeten dezelfde kleur hebben; Het kleurengamma valt buiten de mogelijkheden van de vervaardigingstechniek; Een werkstuk moet meer dan één kleur krijgen. Aangezien geen van de bovenstaande redenen zich voordoen, is het bij voorbaat al eenvoudiger om te kiezen voor een andere methode. Pigment De vierde manier om een kunststof een ‘metallic’ uiterlijk te geven is door het aanbrengen van pigment in het kunststof. De meest geschikte pigment voor het verkrijgen van een glinsterend uiterlijk is aluminium. Dit metaal kan namelijk tot een heel fijn poeder worden verwerkt dat aan een kunststof kan worden toegevoegd. Deze techniek is bruikbaar voor de meeste kunststoffen en de meeste verwerkingstechnieken.
© Faculteit Industrieel Ontwerpen
4
Technische Universiteit Delft
Artikel
IDE442 MATERIALISEREN
2001
Keuze van de oppervlaktebehandeling Als meest geschikte oppervlaktebehandeling is gekozen voor het toevoegen van pigment. Dit heeft de volgende redenen: Er zijn geen extra processtappen nodig waardoor de cyclustijd niet toeneemt; De thermische eigenschappen van PP blijven vrijwel gelijk; Het resultaat is robuust doordat de kleur zich in het meteriaal bevindt; Recycling is bij pigment het meest eenvoudig. VERWERKINGSTECHNIEKEN Zoals bekend is spuitgieten een vervaardigingstechniek met een vrijwel onbeperkte vormvrijheid. Dit komt de assemblagetijd en het uiterlijk ten goede. De conclusie van deze overweging is dat spuitgieten voor de vervaardiging van een broodrooster de meest ideale vervaardigingstechniek is. Tabel 6 Verwerkingstechnieken voor PP
Seriegrootte
Productgrootte
Cyclustijd
Matrijskosten × 1000
Coextrusie
>5000
<40
NVT
10-50
Extrusie
>1000
<50
NVT
3-6
Sandwich spuitg. >7000
<35
>30 s
50-2000
Spuitg.
<50
>40 s
10-2000
>4000
KOSTPRIJS De totale kostprijs voor de behuizing van een broodrooster kan worden opgedeeld in grondstofkosten, bewerkingskosten en gereedschapskosten. De seriegrootte per jaar wordt op 150.000 stuks geschat, er wordt 4 jaar geproduceerd met een spuitgietmachine. Kostprijs behuizing Grondstofkosten: Bewerkingskosten Gereedschapskosten
fl. 1,08 fl. 0,38 fl. 0,12
Totale kostprijs per behuizing
fl. 1,58
De prijs van de behuizing heeft slechts een gering aandeel in de totale kostprijs van de broodrooster. LITERATUUR Additives for plastics; John Murphy, Elsevier advanced technology handbook (1996) Polypropylene the definitive user’s guide and databook; Clive Maier Teresa Calafut, Plastics Design Library (1998) Dictaat Kunststoffen Serie io bijzondere onderwerpen deel 5; M.W. v. Dalen (december 1997) MECID BV [web page], 29-02-2000. Mechanical Engineering & Computer Integrated Design. URL: < http://www.eurofiler.com/tempera.htm > Gezien dd. 8-03-2001 HTU
© Faculteit Industrieel Ontwerpen
UTH
5
Technische Universiteit Delft
