Ziel dieser Arbeit ist es, die Anwendung der erlernten Grundlagen des Produktentwicklungsprozesses nach VDI Richtlinie 2221 sowie die Anwendung der Konstruktionsmethoden und -Techniken zur Lösungsfindung, Lösungsbeurteilung und Lösungsauswahl aufzuzeigen.
Nach kurzer Einleitung wird im Kapitel Planen eine Marktrecherche und Patentrecherche durchgeführt. Aus den gesammelten Informationen wird eine vorläufige Anforderungsliste erstellt. Im Kapitel Konzipieren wird das Produkt in einzelne Teilfunktionen zerlegt und daraus eine Funktionsbaum und Funktionsstruktur erstellt. Die Lösungen für jede Funktion werden gesucht und ausgewertet. Dabei wird die Anforderungsliste mit neuen Erkenntnissen vervollständigt. Im Kapitel Entwerfen wird das ausgewählte Lösungskonzept weiter ausgearbeitet und die Bauunterlagen erstellt.
Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Ziel der Arbeit
1.2 Aufbau der Arbeit
2 Planen
2.1 Aufgabenstellung
2.2 Marktrecherche
2.3 Patentrecherche
2.4 Vorläufige Anforderungsliste
3 Konzipieren
3.1 Funktionsbaum
3.2 Funktionsstruktur
3.3 Anforderungsliste
3.4 Morphologischer Kasten
3.5 Lösungskonzepte
3.6 Bewertung der Lösungskonzepten
4 Entwerfen
4.1 Modulare Strukturen
4.2 Vorentwürfe
4.3 Gesamtentwurf
4.4 Ausarbeiten und fertiges Model
5 Schluss
Literaturverzeichnis
Anhang A
Anhang B
Anhang C
Abbildungsverzeichnis
Abbildung. 1: A03 Liquid Filling Machine (Quelle: https://amazon.de)
Abbildung. 2: Pneumatische Abfüllmaschine, No-Name (Quelle: https://ebay.de)
Abbildung. 3: Sawera Abfüllmaschine (Quelle: https://amazon.de)
Abbildung. 4: Sawera Abfüllmaschine für Creme-Shampoo (Quelle: https://amazon.de)
Abbildung. 5: Position geeigneter Vergleichsprodukte
Abbildung. 6: Ausschnitt aus Patent CN208325712U
Abbildung. 7: Funktionsbaum
Abbildung. 8: Funktionsstruktur
Abbildung. 9: Morfologischer Kasten
Abbildung. 10: Lösungskonzept 1
Abbildung. 11: Lösungskonzept 2
Abbildung. 12: Lösungskonzept 3
Abbildung. 13: Realisierbare Module
Abbildung. 14: L-Profile Verbindung
Abbildung. 15: Mischer Entwurf
Abbildung. 16: Behälter
Abbildung. 17: Pumpe
Abbildung. 18: Gesamtentwurf Pumpenfunktion
Abbildung. 19: 3D Model, Seitenansicht
Abbildung. 20: 3D Model, ISO-Ansicht
Tabellenverzeichnis
Tabelle. 1: VorläufigeAnforderungsliste
Tabelle. 2: Bewertungsmatrix
Tabelle. 3: Stückliste Kaufteile für die Pumpenfunktion
Tabelle. 4: Stückliste für die übrigen Kaufteilen
1 Einleitung
1.1 Ziel der Arbeit
Ziel dieser Arbeit ist, für die gegebene Aufgabenstellung, die Anwendung der erlernten Grundlagen des Produktentwicklungsprozesses nach VDI Richtlinie 2221. Und die Anwendung der Konstruktions- Methoden und -Techniken zur Lösungsfindung, Lösungsbeurteilung und Lösungsauswahl.
1.2 Aufbau der Arbeit
Nach kurzer Einleitung wird im Kapitel „Planen“ zunächst die Aufgabenstellung geklärt, danach wird eine Marktrecherche und Patentrecherche durchgeführt. Aus der gesammelten Informationen wird eine vorläufige Anforderungsliste erstellt. Im Kapitel „Konzipieren“ wird der Produkt in einzelne Teilfunktionen zerlegt und daraus eine Funktionsbaum und Funktionsstruktur erstellt. Die Lösungen für jede Funktion werden gesucht und ausgewertet. Dabei wird die Anforderungsliste mit neuen Erkenntnisse vervollständigt.
Im Kapitel „Entwerfen“ wird die Ausgewählte Lösungskonzept weiter ausgearbeitet und die Bauunterlagen erstellt.
2 Planen
2.1 Aufgabenstellung
Im Form einer vorgegebenen Assignment Thema wurde ein Entwicklungsauftrag erteilt: die Konstruktion einer Kosmetikmaschine, die es ermöglicht eine kleine Serie von Do-It-Yourself Kosmetikprodukten herzustellen und abzufüllen. Es handelt sich um eine Neukonstruktion.
Die Abfüllmaschine soll eine kompakte Abmessungen haben, sich einfach bedienen lassen, ist nur für den Heimgebrauch vorgesehen und soll ausschließlich für Kosmetikprodukte verwendet werden. Für die Maschinen, die mit den Lebensmitteln Kontakt haben, werden spezielle Zertifizierungen und Kennzeichnungen (Verordnung (EG) Nr. 1935/2004) benötigt.1 Die dynamische Viskosität der Flüssigkeiten wird auf ca. 8000 mPas (Millipascalsekunden, entspricht einer Handcreme) begrenzt. Wichtige Kosmetikprodukte und deren Viskosität:1 2
- Shampoo 3.000 mPas (bei 20 °C)
- Handcreme 8.000 mPas (bei 20 °C)
- Flüssigseife 85 mPas (bei 60 °C)
Folgende wesentliche Anforderungen wurden spezifiziert:
- nur für privaten Haushalt geeignet,
- Zielgruppe: Frauen, junge Menschen,3
- Zutaten zur fertigen Creme mischen,
- kompakte Abmessung ca. 300x300x300,
- Füllmenge 5 - 100 ml,
- Bedienung manuell oder automatisch,
- einfache Bedienung,
- nur für Kosmetikprodukte freigegeben,
- für Flüssigkeiten mit Viskosität bis ca. 8000 mPas,
- einfache Reinigung.
2.2 Marktrecherche
Laut Aufgabeblatt (siehe Anhang A) sollen Abfüllmaschinen mit einem Gesamtpreis bis zu 1000 € zum Vergleich herangezogen werden. Die Marktrecherche hat ergeben, dass alle Geräte bis 1000 €, fast ausschließlich über Importeure aus China bestellt werden müssen. Alle andere Geräte am Markt sind deutlich größer, treuerer und sind ehe für industriellen Bereich bestimmt. Viele Produkte haben auch keine Informationen über die Preise und sind für nur gewerbliche Käufer bestimmt, wo die Preise angefragt und verhandelt werden müssen. Privater Käufer kann solche Geräte entweder direkt aus China oder über Zwischenhändler auf im Internetportalen, wie eBay oder Amazon, beziehen. Über Qualität dieser Produkte lässt sich keine Aussage treffen. Auch die Preise schwanken sehr stark. Folgende Vergleichsprodukte wurden ausgewählt:
Produkt A: Filling Machine von aquatech-skincare (USA). Wird aber auch unter unterschiedlichen chinesischen Markennamen vermarktet, wie z.B. BestEquip, Fjinfeng Machinery, Kohstar. Eigenschaften: Füllmenge: 5-50 ml (verstellbar), Füllgenauigkeit (± 1%), Trichterkapazität 10kg, manuale Bedienung, Maße: 270 x 270 x 710 mm, siehe Abbildung 1. Preis: ca. 700 €.
Wie man sehen kann, hat Produkt A einen sehr hohen Aufbau. Durch Betätigen des Hebels besteht die Umkippgefahr. Deshalb muss diese Maschine an vier unteren Laschen befestigt werden. Dadurch ist dieses Gerät weniger für privaten Haushalt geeignet, weil es nicht so schnell an- und abgebaut werden kann.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 1: A03 Liquid Filling Machine (Quelle: https://amazon.de)
Produkt B: No-Name Produkt, Abfüllmaschine, Pneumatisch mit Kompressor. Eigenschaften: Füllmenge: 10-100 ml, siehe Abbildung 2. Preis ca. 1000-2000€.
Die Abfüllmaschine Produkt B ist nicht für privaten Haushalt geeignet, weil sie sehr groß ist und zusätzlich ein Kompressor benötigt. Die Maschine hat einen aufwändigen Aufbau, was die Wartung erschwert.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2: Pneumatische Abfüllmaschine, No-Name
(Quelle: https://ebay.de)
Produkt C: Sawera Abfüllmaschine. Eigenschaften: Füllmenge: 3-500 ml, Membranpumpe, eingebaute Waage, nur für Flüssigkeiten geeignet, siehe Abbildung 3. Preis ca. 200€.
Da Mehrzahl von Kosmetikprodukten cremige Struktur hat, eignet sich Abfüllmaschine Produkt C nur für wenige flüssige Kosmetikprodukte.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 3: Sawera Abfüllmaschine
(Quelle: https://amazon.de)
Produkt D: Sawera Abfüllmaschine für Creme-Shampoo. Eigenschaften: Füllmenge: 3-500 ml, Füllgeschwindigkeit: 17 l/min (einstellbar), Füllgenauigkeit: ± 1%, Membranpumpe, siehe Abbildung 4. Preis ca. 450 €.
Die Abfüllmaschine Produkt D hat sehr lange und im Durchmesser große Schläuche. Das kann die Reinigung erschweren, weil die Creme Reste im Schlauch bleiben können. Außerdem wird eine große Menge von Kosmetikprodukt benötigt, die erstmal in die Schlauch gepumpt werden muss.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 4: Sawera Abfüllmaschine für Creme-Shampoo
(Quelle: https://amazon.de)
Alle Vergleichsprodukte haben einen industriellen Charakter und sind für privaten Haushalt weniger attraktiv, wo diese Maschine z.B in der Küche vorübergehend gestellt wird und Design der Maschine eine große Rolle spielen wird. Weil die Maschine zum Abfüllen von DIY1 Kosmetikprodukten nur für kurze Zeit genutzt wird und außerdem auf Hygiene geachtet werden muss4 5 soll eine einfache Reinigung ermöglicht werden.
In der Abbildung 5 wurden alle Vergleichsprodukte nach Funktionalität und Preis positioniert. Wert 10 entspricht dem teuersten Produkt. Laut Aufgabenblatt (siehe Angang A) soll zu entwickelnde Produkt entsprechend dem Wert der letzten Ziffer der Matrikelnummer (6) positioniert werden. Das entspricht ca. 700 €.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 5: Position geeigneter Vergleichsprodukte
2.3 Patentrecherche
Für Produkt A gibt es ein chinesisches Patent CN208325712U (siehe Anlage B). In der Abbildung 6 kann man die Funktionsprinzip erkennen. Wie man sehen kann, soll das Medium flüssige Konsistenz haben damit es durch den Kolben (Pos 13) nach unten in den Zylinder fließen kann.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 6: Ausschnitt aus Patent CN208325712U
Für die qualitative Aussage über die Patenten muss ein Patentanwalt einbezogen werden. Denn es muss noch geklärt ob dieses Patent nur in China gültig ist. Außerdem besteht es auch die Möglichkeit von Patenten Umgehung,1 die auch mit dem Patentanwalt besprochen werden soll.
2.4 Vorläufige Anforderungsliste
In der Tabelle 1 wurden für die Konzeptionphase wichtige Anforderungen in der vorläufigen Anforderungsliste zusammengetragen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tab. 1: Vorläufige Anforderungsliste
3 Konzipieren
3.1 Funktionsbaum
Im Funktionsbaum wurden die Funktion und deren Teilfunktionen der Kosmetikmaschine am Beispiel der Herstellung einer Creme ermittelt und in der hierarchische Struktur dargestellt, siehe Abbildung 7. Die erste Ebene stellt die Gesamtfunktion dar. In der zweiten Funktionsebene wurden sieben Teilfunktionen gebildet. Die Teilfunktion „Crememenge abführen“ hat keine weitere Teilfunktion in der dritten Ebene. Die Creme wird abgeführt und von Benutzer in die Behälter, wie Kosmetiktiegel, Kosmetikflasche etc., gespeichert.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Für die Herstellung von Hautcreme werden oft folgende Zutaten benötigt:1
1. Pflanzenöle z.B Olivenöl, Mandelöl, ätherische Öle etc.,
2. Wasser, abgekocht oder destilliertes Wasser,
3. Emulgator, z.B. Emulsan (pulverartig), Wollwachsalkohol (wachsartig, muss vorher geschmolzen werden1).
Viele Zutaten müssen vorher in einem Wasserbad erwärmt werden, damit sie in den flüssigen Zustand übergehen. Diese Aufgabe wird extern erledigt. In der Maschine werden die Zutaten zusammenrührt und abfüllt.
3.2 Funktionsstruktur
In der Abbildung 8 wurden die wesentlichen Teilfunktionen zu einer Funktionsstruktur zusammenverknüpft.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 8: Funktionsstruktur
3.3 Anforderungsliste
Die Anforderungsliste wurde vervollständigt. Die Ganze Anforderungsliste ist in dem Anhang C abgebildet.
3.4 Morphologischer Kasten
Durch die Internetrecherche und Analogiebetrachtung ähnlicher Produkten, wie z.B. Handmixer Laborrührer, Seifenspender und auch Konkurrenzprodukte, wurden unterschiedliche Lösungen erstellt, visualisiert und in den morphologischen Kasten eingetragen, siehe Abbildung 9.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 9: Morfologischer Kasten
3.5 Lösungskonzepte
Aus dem morphologischen Kasten wurden drei Lösungskonzepte gebildet. In der Abbildung 9 ist die Lösungskonzept 1 als rotes Pfad, die Lösungskonzept 2 als blaues Pfad und Lösungskonzept 3 als grünes Pfad dargestellt.
Prinzipieller Aufbau vom Lösungskonzept 1 ist in der Abbildung 10 dargestellt. In einem rechteckigen Gehäuse ist ein trapezförmige Trichter befestigt, der Deckel ist mit einem Scharnier befestigt. Rührer befindet sich am Boden des Behälters und wird durch einen Flachoder Keilriemen mit einem Motor angetrieben. Am Behälter, unten an der Seite oder unten am Boden, ist eine Öffnung zu der ein Kugelrückschlagventil befestigt ist. Kugelrückschlagventil verhindert, dass noch nicht gemischte Zutaten in die Leitungen gelangen. Rechts ist eine ansaugfähige Impellerpumpe angebracht. Im Betrieb, durch Saugwirkung, öffnet sich der Rückschlagventil und transportiert vorher fertige, gemischte Creme zu einem Auslauf mit einer Düse. Im Auslauf soll ebenfalls ein Rückschlagventil verbaut werden.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 10: Lösungskonzept 1
Abbildung 11 zeigt einen prinzipiellen Aufbau vom Lösungskonzept 2. Der Rührer und der Motor sind im Deckel integriert. Die Pumpe hat ein ähnlichen Aufbau wie der herkömmliche Seifenspender. Beim Drucken des Hebels wird die Feder zusammen gedruckt, Kolben läuft nach unten. Kolbenstange ist hohl und hat eine Öffnung, welche Kolben beim Pressen öffnet. Wird der Hebel losgelassen, druck die Feder den Kolben nach oben, der Kugelventil öffnet sich und saugt die Creme aus dem Behälter. Kolbenzylinder wird mit der Creme gefüllt. Wird der Hebel erneut betätigt druckt der Kolben die Creme nach unten, weil der Kugelventil im Sperrrichtung ist, strömt die Creme durch die Kolbenstange zum Auslauf. Damit der Auslauf sich nicht mitbewegt, soll der Auslauf mit der Kolbenstange durch ein Schlauch verbunden werden. Die Länge des Schlauchs soll so gewählt werden, dass eine Bewegung des Kolben nicht verhindert wird.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 11: Lösungskonzept 2
Abbildung 12 zeigt einen prinzipiellen Aufbau vom Lösungskonzept 3. Der Behälter ist zylinderförmig, mit einer Verengung unten. Der Rührer und der Motor sind im Deckel integriert. Die Pumpe ist ein Zylinder mit dem Kolben, Kolbenstange und Einlass- und Auslassventil. Damit die nicht gemischte Zutaten in die Leitungen gelangen, ist am Behälter ein Rückschlagventil angebracht, ggf wird ein Einlassventil an der Pumpe nicht benötigt, weil der Rückschlagventil diese Funktion übernehmen kann. Die Kolbenstange wird mit einem elektrischen Zylinder (Linearantrieb) bewegt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 12: Lösungskonzept 3
[...]
1 vgl. Lebensmittelsicherheit, Rechtliche Rahmenbedingungen für Lebensmittel Kontaktmaterialien.
2 vgl. 2011, Viskosität von Flüssigkeiten.
3 vgl. Ossenkopp, Marktforschungs-Ergebnisse zum Naturkosmetik-Kaufverhalten.
4 DIY: Do-It-Yourself
5 vgl. Ecco-Verde, DIY-Naturkosmetik.