Konstruktion des Prototyps einer demontagegerechten frontbeladenen Waschmaschine

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  Inhaltsverzeichnis  

1  Einleitung  3

2  Aufbau und Funktionsweise einer Waschmaschine  4

3  Stand der Technik  6

3.1  Begriffe  6

3.2  Richtlinien zur demontagegerechten Gestaltung  8

3.2.1  Erläuterung der Teilfunktionen  9

3.3  Zusammenfassung der Literaturrecherchen  10

3.3.1  Werkstoffauswahl  11

3.3.2  Kennzeichnung  11

3.3.3  Baustruktur  11

3.3.4  Einzelteilgestaltung  12

3.3.5  Verbindungstechniken  12

3.3.6  Zugänglichkeit  12

3.4  Zusammenfassung der Ergebnisse  13

4  Finden von Produktideen  15

4.1  Derzeitiger Aufbau  15

4.2  Verbesserter Aufbau  15

5  Gestaltung der Maßgebenden Module  17

5.1  Gehäuse  17

5.1.1  Analyse Ist-Zustand  17

5.1.2  Konzept Soll-Zustand  18

5.2  Schwingsystem  19

5.2.1  Analyse Ist-Zustand  19

5.2.2  Konzept Soll-Zustand  20

5.3  Wasserführung  24

5.3.1  Analyse Ist-Zustand  24

5.3.2  Konzept Soll-Zustand  25

5.4  Stromführung  28

5.4.1  Analyse Ist-Zustand  28

5.4.2  Konzept Soll-Zustand  30

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5.5  Handhabung und Befestigungselemente  32

5.5.1  Analyse Ist-Zustand  32

5.5.2  Konzept Soll-Zustand  32

6  Einzelteilgestaltung  35

6.1  Rahmen  35

6.1.1  Blechteile  37

6.2  Abdeckplatte  39

6.3  Schwingsystem  41

6.4  Wasserführung  43

6.4.1  Magnetventileinheit  43

6.4.2  Einspülkomplex  45

6.4.3  Pumpe  45

6.4.4  Rohre und Schläuche  46

6.4.5  Rohr und Schlauchverbindungen  48

6.4.6  Verbesserte Wasserführung  49

6.5  Elektrik  50

6.5.1  Steuerelektronik  50

6.5.2  Kabel und Stecker  52

6.5.3  Bedienpaneel  53

6.5.4  Verbesserte Stromführung  53

7  Demontageablauf  55

7.1  Demontage in Baugruppen  55

7.2  Demontage der Unterbaugruppen  60

7.2.1  Schwingsystem  60

7.2.2  Waschmaschinenfront  62

7.2.3  Steuerelektronik  62

8  Ergebnisvergleich  63

8.1  Vielfalt und Komplexität  63

8.2  Erkennbarkeit  66

9  Zusammenfassung  68

10  Literaturverzeichnis  69

Einleitung

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1 Einleitung

Der heutige Trend zur Rückgewinnung und Wiederverwendung von verwendeten Werkstoffen und Bauteilen wird auch bei Hausgeräten immer wichtiger. Zudem spielt die zukünftige Rücknahmeverpflichtung der Hersteller von Hausgeräten bei der Gestaltung eine wichtige Rolle. Die Große Zahl und Vielfalt der auf dem Markt befindlichen Geräte macht deshalb in Hinsicht auf Recycling und Demontage einen einheitlichen Aufbau künftiger Geräte notwendig. Bei der Demontage sollte dabei die Rückgewinnung funktionsfähiger Baugruppen zur Wiederverwendung als Hauptkriterium gelten. Aus diesem Grunde ist es ratsam einer zerstörungsfreien Demontage von Hausgeräten den Vorrang einzuräumen. Sie erleichtert eine Art Kreislauf der Bauteile zwischen Verwendung und Wiederverwendung. Die zerstörungsfreie Demontage stellt dabei an sämtliche verwendeten Bauteile hohe, zum Teil neue Anforderungen was die Konstruktion und Haltbarkeit betrifft. Die demontagegerechte Gestaltung von Haushaltsgeräten dient nicht nur der Entsorgung, sondern auch zu einem großen Teil der einfacheren Wartung und Instandhaltung der Maschinen. Was nicht zuletzt auch ein förderndes Verkaufsargument auf dem hart umkämpften Markt sein kann.

Im Rahmen einer konstruktiven Studienarbeit wird hier der Werdegang der Konstruktion einer demontagegerechten frontbeladenen Waschmaschine widergegeben und dokumentiert. Für das gesamte Vorgehen wurden stets Richtlinien für die demontagegerechte Konstruktion angewendet und beachtet.

Bild 1-1: frontbeladene Waschmaschine

Aufbau und Funktionsweise einer Waschmaschine

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2 Aufbau und Funktionsweise einer Waschmaschine

Bei den heutzutage in Privathaushalten verwendeten Waschmaschinen handelt es sich um Front- oder Topladerwaschmaschinen mit einer Wäschetrommel, die sich drehend gelagert in einem abgedichteten Gehäuse befindet. Bei den frontbeladenen Waschmaschinen ist die Trommel einseitig und bei Topbeladenen Waschmaschinen zweiseitig gelagert. Die Waschwirkung wird bei diesem Aufbau durch eine wechselseitige Drehung der Trommel im sogenannten Laugenbehälter erreicht. Der Antrieb der Trommel erfolgt über ihre fliegend gelagerte Antriebswelle mit Hilfe eines Keilriemens. Der Keilriemen wird dabei durch einen Motor angetrieben, der außerhalb des Laugenbehälters befestigt ist. Dieser Laugenbehälter ist zusammen mit dem Mo-tor und der Wäschetrommel schwingend im Gehäuse aufgehängt. Die zu konstruierende Waschmaschine besitzt ihre Öffnung zum Be- und Entladen sowie die Bedienelemente auf der Vorderseite der Maschine. Die Bilder Bild 2-1, Bild 2-2, Bild 2-3 stellen kurz den prinzipiellen Aufbau dar.

Bild 2-1: Prinzipieller Aufbau einer Frontladerwaschmaschine (Rückansicht)

Die Steuerung der Temperatur, des Wasserstands, der Drehzahl und der Waschdauer wird von einer Elektronik übernommen, die durch den Anwender bedient wird. Ein direkter Eingriff in die Waschprogramme ist dabei nur bedingt möglich.

Aufbau und Funktionsweise einer Waschmaschine

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Bild 2-2: Prinzipieller Aufbau einer Frontladerwaschmaschine (Seitenansicht)

Bild 2-3: Maschinenaufbau [17]

Bei solchen Maschinen befindet sich die Waschlauge nur im Laugenbehälter und wird durch Schläuche zu und abgeführt. Der restliche Teil der Waschmaschine kommt dabei nicht mit der Waschlauge in Berührung. Das Wasser wird auf dem Weg in den Laugenbehälter zuerst durch den Einspülbehälter mit Waschmittel geführt und fließt dann in den Laugenbehälter. Je nach Waschprogramm variiert der Wasserstand im Laugenbehälter. Die Zuführung des Wassers wird über Magnetventile gesteuert und durch einen Wasserstandsregler gemessen. Bei der Abführung der Waschlauge wird diese über einen Anschluss am tiefsten Punkt des Laugenbehälters mit einer Pumpe durch den Abflussschlauch gepumpt.

Stand der Technik

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3 Stand der Technik

Bei der Konstruktion einer demontagegerechten Waschmaschine gelten wie auch bei jeder anderen Konstruktion nach Beitz [10] drei grundsätzliche Gestaltungsregeln: Eindeutig, Einfach, Sicher. Diese Eigenschaften beziehen sich dabei sowohl auf die Konstruktion, als auch auf die Funktion und Handhabung der Bauteile. Die Umsetzung solcher Regeln lässt sich auf vielen Wegen erreichen und soll bei der Waschmaschine vor allem bei Verbindungselementen, Form und Anordnung der verwendeten Bauteile bzw. Baugruppen angewendet werden.

Ziel ist es also möglichst viele Bauteile zu einfachen Baugruppen zusammenzuführen, die Anzahl und Art der verwendeten Verbindungselemente zu reduzieren und zu vereinheitlichen sowie die Materialvielfalt zu verringern. Die Anzahl der manuellen Demontageschritte ist bei der Umgestaltung auf ein Minimum zu reduzieren, um so eine komplett automatisierte Demontage der Waschmaschine zu ermöglichen. Bei den Verbindungselementen soll deshalb versucht werden gänzlich auf Schrauben zu verzichten und alternativ Steck- und Schnellverschlüsse anzuwenden. Biegeweiche Bauteile müssen durch biegesteife ersetzt werden, um so eine automatisierte Demontage zu ermöglichen. Die Angreifpunkte für Greifer müssen einheitlich und gut zugänglich gestaltet werden.

Für eine Beurteilung der Baustruktur eignet sich nach [11] auch der Knotengrad. Ein Knoten symbolisiert in dieser Betrachtung ein Bauteil und der Knotengrad gibt an mit wie vielen anderen Bauteilen es in Verbindung steht. Der Durchschnitt Knotengrade der Bauteile ergibt dann den Gesamtknotengrad der Baustruktur. Der Knotengrad ist hierbei eine Maßzahl zum verstehen der Baustruktur. Ziel muss es sein, den Knotengrad so gering wie möglich zu halten.

3.1 Begriffe

Nach [12] ist der Vorgang des Demontierens wie folgt definiert:

Gesamtheit aller geplanten Vorgänge, die der Vereinzelung von Mehrkörpersystemen zu Baugruppen, Bauteilen und/oder formlosen Stoff dienen.

Als Hauptfunktion der Demontage ist das Fertigungsverfahren Trennen zu sehen, das den eigentlichen Prozess des Lösens einer Verbindung zwischen mehreren Tei-

Stand der Technik

Seite 7 len bewirkt. Zusätzlich lässt sich der Demontageprozess in folgende Teilfunktionen unterteilen [7].

Bild 3-1: Teilfunktionen der Demontage [7]

Bild 3-2: Erklärung der 3 Demontagearten [16]

Bei der Demontage wird unterschieden zwischen zerstörungsfreier, Teilzerstörender und zerstörender Demontage Bild 3-2.

Das Recycling ist nach [2] die erneute Verwendung oder Verwertung von Produkten oder Teilen von Produkten in Form von Kreisläufen.

Die Einsatzgebiete der Demontage liegen angefangen bei Reparatur, Instandhaltung, Wartung bis zur Rückgewinnung funktionsfähiger Bauteile beim Recycling. Die De-

Stand der Technik

Seite 8 montage ist beim Recycling eine starke Alternative zum Schreddern oder Pressen nicht trennbar verbundener Bauteile.

Bild 3-3: Recyclingmöglichkeiten [2]

Prozesse zur Demontage bestehen im allgemeinen aus Kombinationen von zerstörenden und zerstörungsfreien Trennverfahren. Die Auswahl der angewendeten Trennverfahren richtet sich dabei nach der Art der verwendeten Bauteilverbindungen und nach der Art der weiteren Verwendung.

3.2 Richtlinien zur demontagegerechten Gestaltung

Die Richtlinie [2] gibt kurz und deutlich folgenden Hinweis:

Die bei einem Produkt verwendeten Verbindungen der Bauteile müssen leicht lösbar und gut zugänglich sein. Beschädigungen an wiederverwendbaren Teilen sind zu vermeiden. Anzustreben ist eine Demontage, bei der die zu verbindenden Bauteile und die Verbindungselemente unbeschädigt wiederverwendbar oder zumindest Aufbereitbar sind. Ist dieses Idealziel nicht zu errei-

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chen, sollten wenigstens die Bauteile unbeschädigt bleiben; die Verbindungselemente werden dann durch neue ersetzt.

Diese Aspekte liefern für die Konstruktion demontagegerechter Produkte zusätzliche Anforderungen an den Prozess der demontagegerechten Produktgestaltung. In den meisten Produkten wird die effektive Demontage durch einen hohen Aufwand zum Lösen von schlecht lösbaren bzw. zugänglichen Verbindungen behindert. Die Gestaltung von gut zu lösenden und gut zugänglichen Verbindungen sollte deshalb als eines der Hauptziele der Produktgestaltung angesehen werden. Als ein weiteres Hauptziel sollte die Optimierung der Baustruktur selber angesehen werden. Bei der demontagerechten Konstruktion müssen auch alle Teilfunktionen der Demontageaufgabe berücksichtigt und begünstigt werden Bild 3-1.

3.2.1 Erläuterung der Teilfunktionen

- Lösen der Verbindungen Zur Demontage sind Verbindungen durch entschrauben, brechen, aufbohren, entkleben, entlöten, entschnappen usw. zu lösen

- Separieren der demontierten Bauteile und Verbindungen Die demontierten Bauteile und Verbindungselemente sind durch abheben, aushängen, ausziehen, abgießen usw. zu entfernen und möglichst weitgehend nach unterschiedlichen Arten und Werkstoffen zu sortieren

- Handhaben des Demontageobjektes Das zu demontierende Objekt muss definiert eingespannt, gedreht und gewendet werden können, um es von allen Seiten für die Demontagewerkzeuge zugänglich zu halten

- Handhaben des Demontagewerkzeugs Die Demontagewerkzeuge müssen für den erforderlichen Arbeitsschritt an das Demontageobjekt frei zugänglich herangeführt und nach dem Demontageschritt abgeführt werden können.

- Vorbereiten des Demontageobjektes Das zu demontierende Objekt muss im Vorfeld der Demontage durch reinigen, analysieren, richten, absaugen, schmieren usw. auf den Vorgang

Stand der Technik

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der Demontage bestmöglich vorbereitet werden. Dies ist notwendig, um Störungen im Demontageablauf zu vermeiden.

- Nacharbeiten der demontierten Bauteile, Baugruppen Die demontierten Bauteile und Baugruppen können im Anschluss an die erfolgte Demontage gereinigt und geprüft werden. Dies ermöglicht eine Wieder- oder Weiterverwendung.

Es ist außerdem notwendig den Demontageablauf zu überwachen und zu steuern. Auf diese Weise ist es möglich Störungen im Ablauf zu erkennen und gegebenenfalls darauf zu reagieren. So ist es zum Beispiel wichtig, zu erkennen ob Entschraubvorgänge erfolgreich waren und die Bauteile im Anschluss getrennt sind.

Bild 3-4: Teilziele der Konstruktion [7]

3.3 Zusammenfassung der Literaturrecherchen

Die zur Zeit existierende Literatur ist sehr ergiebig und aufschlussreich wenn es um das Thema der demontagegerechten Produktgestaltung geht. Man findet in vielen Werken Einzelheiten zu bestimmten Teilgebieten, jedoch kaum eine konzentrierte Ansammlung aller Grundlagen oder Regeln.

An dieser Stelle sind noch einmal Maßgebende Regeln genannt, die auf Erfahrungen und Erkenntnissen vorangegangener Arbeiten, zu diesem Thema, basieren.

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3.3.1 Werkstoffauswahl

Bauteile mit Schadstoffgehalt leicht demontierbar gestalteten und anordnen

-

Einsatzwiederverwendbarer Werkstoffe

-

EngeVerbunde aus unterschiedlichen Werkstoffen vermeiden

-

RäumlicheKonzentration ähnlicher Werkstoffe

-

Keineunverträglichen Werkstoffpaarungen

-

3.3.2Kennzeichnung

Werkstoffe, Bauteile, Baugruppen und Verbindungen eindeutig Kennzeichnen

-

Möglichstschnell und gut erkennbare Kennzeichnungen

-

DauerhafteKennzeichnungen

-

3.3.3Baustruktur

Notwendigkeit von Funktionen prüfen

-

demontage-und zerlegefreundliche Baustruktur

-

Sandwichbauweise

-

Keinelangen Demontagewege

-

Einsatzvon Modulbauweise

-

Standardbaugruppenund Standardbauelemente

-

Bauelementeund Baugruppen aus einer Richtung Montieren / Demontieren

-

leichttrennbare Baugruppen

-

GuteDemontierbarkeit von Modulen mit Verschleißzonen

-

Verschleißstellensind in einem oder in mehreren Modulen zusammenzufas-

-

sen

Abgrenzung hochbeanspruchter Bereiche gegenüber gering beanspruchter

-

Bereiche

Geringe Anzahl von Einzelelementen

-

Produktaufbaunach dem Reißleineprinzip (nach dem Entfernen eines zentra-

-

lenVerbindungselementes zerfällt das Produkt in seine Bestandteile)

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Produktaufbau nach dem „Besteckkasten“ -Prinzip (eingelegte Teile fallen

-

nachdem Öffnen und Wenden des Produktes heraus)

Mechanisierbarkeit oder Automatisierbarkeit der Demontage

-

StandardisierteSchnittstellen

-

VereinheitlichteBaustruktur

-

3.3.4Einzelteilgestaltung

Ausgeprägte Stand- und Auflageflächen für gute Lagestabilität

-

Standardisierteund selbstzentrierende Greifmöglichkeiten

-

FormstabileTeile

-

StandardisierteGreifflächen in Schwerpunktnähe

-

3.3.5Verbindungstechniken

Wenig Verbindungselemente

-

LösbareVerbindungen (Schraubverbindungen, Schnappverbindungen,

-

Klemm-und Sprengverbindungen, Steckverbindungen)

Verbindungen durch einfache Hilfsmittel lösen

-

Markierungvon Verbindungsstellen und Verbindungsart

-

Zweihandarbeitvermeiden (Schrauben in Sacklöchern, Muttern selbstklem-

-

mendgegen mitdrehen sichern)

Demontagemöglichkeit auch nach einer Deformation

-

KeineWerkzeugwechsel

-

Ansetzhilfenfür Demontagewerkzeuge

-

KeineHilfsoperationen (wenden, drehen, usw.)

-

3.3.6Zugänglichkeit

leicht auffindbare, gut zugängliche und trennbare Verbindungen

-

Elektroeinheitenleicht zugänglich in den Randzonen gut Trennbar

-

Demontagevon oben

-

Stand der Technik

Seite 13 Einheitliche geradlinige Zugangsrichtung in Ausbaurichtung des Bauteils

- GuteZugänglichkeit für das Demontagewerkzeug

-

3.4Zusammenfassung der Ergebnisse

Die Demontagegerechte Produktgestaltung ist Untermenge der Recyclinggerechten Produktgestaltung, diese wiederum ist Untermenge der Umweltgerechten Produktgestaltung Bild 3-5. Für die Demontagegerechte Produktgestaltung kann man diese Reihenfolge auch umkehren und daraus eine Behauptung formulieren. Das heißt, die Demontagegerechte Produktgestaltung ist Recyclinggerecht und somit auch Umweltgerecht.

Bild 3-5: Mengendarstellung

Für jede der angegebenen Gruppen gibt es viele Kriterien und Beispiele die Ihnen jeweils zugeordnet werden. Nach [10] gelten jedoch für jede Art von Konstruktion die folgenden drei Regeln, Eindeutig – Einfach – Sicher. Die Interpretation jeder einzelnen Regel liegt dabei im Ermessen des anwendenden Konstrukteurs. Wenn man die genannten Regeln etwas für die demontagegerechte Konstruktion abwandelt und erweitert, kommt man zu den Bewertungen Vielfalt – Komplexität – Erkennbarkeit. Diese lassen dann das Finden von Vorgaben zu, die einem ein einfaches Werkzeug für die demontagegerechte Konstruktion in die Hand geben Bild 3-6.