Konzipierung eines Hybrid-Spülsystems für Geschirrspüler - GfSE

Zusammenfassung
Konzipierung eines Hybrid-Spülsystems
für Geschirrspüler
Heinz Nixdorf Institut
Universität Paderborn
Fachgebiet Produktentstehung
Prof. Dr.-Ing. Jürgen Gausemeier
Fürstenallee 11
D-33102 Paderborn
vorgelegt von
Thomas Schierbaum
Miele & Cie. KG
Werk Bielefeld
Professionelle Reinigungssysteme
Dr.-Ing. Maik Mracek
Mielestraße 2
D-33611 Bielefeld

Seite 2 Konzipierung eines Hybrid-Spülsystems für Geschirrspüler
1 Einleitung
Die Erzeugnisse des Maschinenbaus und verwandter Branchen wie der Automobilindustrie
beruhen heute vielfach auf dem engen Zusammenwirken von Mechanik, Elektrotechnik/Elektronik,
Regelungstechnik und Softwaretechnik. Der Begriff Mechatronik
bringt dies zum Ausdruck. In immer mehr Branchen vollzieht sich der Wandel hin zu
mechatronischen Produkten. Oft kann der etablierte Entwicklungsprozess den neuen
Anforderungen nicht gerecht werden. Die domänenübergreifende Entwicklung von Produkten
kommt nur selten zum Tragen. Zur besseren Kommunikation wurde am Heinz
Nixdorf Institut (HNI) die Spezifikationstechnik zur Beschreibung fortschrittlicher mechatronischer
Systeme entwickelt, sowie die dazugehörige Vorgehenssystematik.
Die Diplomarbeit wurde in Kooperation mit der Firma Miele & Cie. KG im Bereich
professioneller Spülsysteme durchgeführt. Die Fa. Miele ist Marktführer im Segment
der Haushaltstechnik. Die Produktpalette reicht von Staubsaugern über Geschirrspüler
und Kühlschränken bis hin zu Kaffeevollautomaten. Im gewerblichen Bereich, der Miele
Professional Series (PRS), wird Wäschereitechnik, Geschirrspültechnik sowie Labor-
und Medizintechnik produziert und vertrieben.
Ziel dieser Arbeit war es, auf Grundlage des bei Miele etablierten Vorgehens „IMNU
2.0“ und mit Hilfe der Spezifikationstechnik, eine domänenübergreifende Prinziplösung
eines neuartigen Hybridspülsystems für Geschirrspüler zu konzipieren. Im Rahmen dieser
Diplomarbeit wurden drei Konzepte erarbeitet. Auf Basis einer Nutzwertanalyse
wurde das erfolgversprechendste und leistungsfähigste Konzept ausgewählt. Dieses
wurde als Funktionsmuster aufgebaut. Mit Hilfe von ersten Tests wurden die Realisierbarkeit,
Praxistauglichkeit und die geforderten Eigenschaften des Konzeptes validiert.
Aufgrund der Aktualität und Relevanz der erzielten Ergebnisse innerhalb dieser Arbeit
kann auf die Lösungsvarianten und deren Charakteristika nur bedingt eingegangen werden.
2 Problematik & Zielsetzung
Das betrachtete Unternehmen produziert und vertreibt derzeit Tank-Spülsysteme und
Frischwasser-Spülsysteme. Die Tank-Spülsysteme bieten geringe Laufzeiten und einen
geringen Wasserverbrauch. Negativ bei solchen Systemen ist die, gegenüber den
Frischwasser-Spülsystemen, geringere Hygiene im Prozess, da das Wasser bei jedem
Spülgang nur anteilig erneuert wird. Ferner hält das System das Wasser ständig auf
Temperatur. So fallen hohe Betriebskosten an, auch wenn der Tank-Spüler nicht genutzt
wird.
Frischwasser-Spülsysteme hingegen bieten eine hohe Hygiene und verursachen Betriebskosten
ausschließlich während der Nutzung. Die Hygiene im Prozess ist auf die
häufigen Wasserwechsel zurückzuführen. Negativ bei solchen Systemen sind die langen

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Lauffzeiten,
bedingt
durch Wasserwecchsel
und Aufheizzeite
A en, sowie deer
hohe Wa asser-
verbrrauch.
Ziel dieser Arbeeit
ist eine Konzeption K n für ein Hy ybrid-Spülsy ystem, welcches
die Vo orteile
von Tank-Spülssystemen
mit m denen deer
Frischwa asser-Spülsy ysteme kommbiniert.
Di ies ist
ein fü für den gewerblichen
Bereich B neuees
und inno ovatives Pro odukt, das soo
auf dem Markt M
nochh
nicht vorhhanden
ist. Innerhalb dder
Arbeit werden w auf Grundlage e der Spezif fikati-
onsteechnik
für kkomplexe
mechatronsi m iche System me drei Var rianten erarb rbeitet. Die beste
Alterrnative,
diee
auf Grund dlage einer Nutzwertanalyse
erm mittelt wird, soll als Fu unkti-
onsmmuster
aufgeebaut
werde en.
3
Vorgehensweis
se in der Konzipie erung
Konzipierung g eines Hybrid d-Spülsystemss
für Geschirrs spüler
Bei ddem
zu entwwickelnden
Hybridspüller
handelt es sich um ein kompleexes
mechatroni-
schess
System. AAufgrund
de essen ist diee
Wahl des richtigen Vorgehens V vvon
großer Wich- W
tigkeeit.
Der Fokkus
liegt da abei unter an anderem auf f dem Zusammenwirkeen
der Dom mänen
Regeelungstechnnik,
Softwar retechnik, EElektronik
und Mecha anik. Bereitts
in der frühen fr
Phase
der Konzzipierung
wird w der Gruundstein
für r die spätere
Konkretissierung,
in Form
des ggrundsätzlicchen
Aufba aus und der grundsätzli ichen Wirkungsweise
des System ms ge-
legt. Daher ist eein
strukturi iertes Vorgehen,
welch hes die ganzheitliche
SSpezifikatio
on der
Prinzziplösung
alls
Ziel hat, von v immensser
Bedeutu ung.
Bild 3-1 verdeuttlicht
diese Herausfordderungen
be ei der Entwi icklung vonn
komplexen n me-
chatrronischen
Systemen.
Bild 3-1: Heraausforderun
ng bei der EEntwicklung
g von kompl lexen mechaatronischen
nSystemeen [ADG+0 09, S.156]

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Konzipierung g eines Hybrid d-Spülsystemss
für Geschirrs spüler
Es mmacht
deutliich,
dass di ie Lücke zwwischen
de em Anforde erungskataloog,
welcher r eher
eine grobe Spezzifikation
is st, und der domänenin nternen Spezifikation
ggeschlossen
n wer-
den mmuss.
Das RResultat
der r Konzipieruungsphase,
die Prinziplösung,
stelllt
die Grun ndlage
für eeine
Kommmunikation
und u Kooperration
der Fachleute F au us den an dder
Entwick klung
beteiiligten
Dommänen
dar [ADG+09, [ S.155]. Da amit dieses sichergesteellt
ist, wir rd die
Prinzziplösung
auuf
Basis de er Spezifikaationstechnik
erstellt. Sie S gliedert sich in ach ht As-
pektee
(vgl. Bildd
3-2). Inner rhalb der AArbeit
wurde en die Aspe ekte: Umfelld,
Anwendungs
szenaarien,
Anfoorderungen,
Funktionenn,
Wirkstruk ktur, Gestalt
und Verhhalten
betra achtet.
Das PPartialmodeell
des Ziels systems wuurde
nicht be etrachtet, da a es sich hieerbei
um di ie Repräseentation
derr
Optimieru ungsziele dees
Systems und u ihrer Verknüpfung
V gen handelt. . Die-
se Eiigenschaft
kkommt
bei diesem d mecchatronische
en System nicht n zum Tr Tragen.
Bild 3-2: Parttialmodelle
zur domäneenübergreif
fenden Besc chreibung dder
Prinziplö ö
sungg
[GFD+08 8]
Die AAspekte
undd
die entspr rechenden PPartialmode
elle sind im Wechselspiiel
zu erarbeiten,
wennngleich
es eeine
gewisse
Reihenfoolge
gibt. Den
Startpun nkt bilden ddie
Modellie erung
des UUmfelds,
deer
Anwendu ungsszenariien
und die Ableitung der Anfordderungsliste.
Aus
den PPartialmodeellen
Umfel ld und Anwwendungssze
enarien erge eben sich AAnforderung
gen an
das SSystem.
Auus
den Anf forderungenn
werden Funktionen F abgeleitet uund
hierarc chisch
angeordnet.
Baasierend
au uf der Fuunktionshier
rarchie fol lgt die MModellierung
g der
Wirkkstruktur.
Siie
bildet die e grundsätzlliche
Strukt tur des Systems
ab. In dder
Wirkstr ruktur
werdden
die Sysstemelement
te, deren MMerkmale
so owie die Beziehungen
B n der System mele-
mentte
untereinaander
beschrieben.
Auffbauend
auf f der Wirkstruktur
wirdd
die Gesta alt des

Seite 5 Konzipierung eines Hybrid-Spülsystems für Geschirrspüler
Systems mit Hilfe gängiger 3D CAD-Systeme modelliert. Die Wirkstruktur und die
Gestalt bilden im klassischen Maschinenbau den Kern der Prinziplösung. Bei der Spezifikation
von mechatronischen Systemen spielen darüber hinaus die Modellierung von
Zuständen und Zustandsübergängen sowie die Auswirkungen auf die Wirkstruktur eine
wesentliche Rolle. Die Aktivitäten, Zustände und Zustandsübergänge werden im Partialmodell
Verhalten modelliert.
1. Das Umfeldmodell beschreibt das Umfeld in welches das zu entwickelnde
System eingebettet ist. Dabei werden die Einflussbereiche als
Systemelemente (vgl. Bild 3-2)–gelb–dargestellt. Deren Wirkung/Einfluss
auf das System wird als Fluss dargestellt. Dabei differenziert
man Stofffluss (Wasser, Staub), Energiefluss (Kraft, elektrische
Energie) und Informationsfluss (Spülprogramm). Störende Flüsse werden
grau dargestellt.
2. Die Anwendungsszenarien charakterisieren ein bestimmtes Verhalten
in Situationen, denen das System ausgesetzt sein kann. Die Anwendungsszenarien
sind angelehnt an die Anwendungsfälle der Softwaretechnik.
3. Die Anforderungsliste ist die strukturierte Auflistung der Anforderungen
an das zu entwickelnde System. Sie werden in Kategorien eingeteilt.
Diese können bspw. Geometrie, Stoff, Kosten oder Termin sein. Differenziert
werden quantitative und qualitative Anforderungen.
4. Die Funktionshierarchie gliedert die Gebrauchsfunktionen hierarchisch.
Diese dienen der Definition der grundsätzlichen Funktionalität
des Systems.
5. Mittels der Wirkstruktur wird die grundsätzliche Struktur des zu entwickelnden
Systems abgebildet. Zu den vorher definierten Funktionen werden
Systemelemente (mehr oder weniger konkrete Bauteile) gesucht, die
die Funktionen erfüllen. In dieser Arbeit wurde der morphologische Kasten
zur strukturierten Suche angewendet.
6. Das Gestaltmodell ist eine erste Festlegung der Gestalt des späteren
Systems.
7. Im Partialmodell Verhalten werden die grundsätzlichen Systemzustände
modelliert. Differenziert werden Verhalten-Zustände und Verhalten-
Aktivitäten. Beim zuerst Genannten werden die Zustände des Systems
und die Ereignisse abgebildet, die einen Zustandsübergang bewirken.
Das Partialmodell Verhalten-Aktivitäten beschreibt die logische Reihenfolge
der Ablaufprozesse innerhalb des Systems.

Seite 6
4
Ausarbeitung
In diiesem
Abschnitt
findet die beschriiebene
Met thodik Anw wendung. Diie
Partialmo odelle
für eeine
kompleette
Variant te sollen ann
dieser Stelle
nicht be etrachtet weerden.
Insge esamt
wurdden
auf Basiis
des morp phologischenn
Kastens drei d Variante en ausgearbbeitet.
Zur EErläuterungg
sollen die Partialmode P elle eines Bauteils B besc chrieben weerden,
welch hes in
jederr
Variante VVerwendung
g findet, derr
Heiztank. An diesem m Beispiel läässt
sich der r Sys-
temzzusammenhaang
verdeut tlichen.
Aus dem Umfeeldmodell
und u den Annwendungss
szenarien wird w die Nootwendigke
eit für
warmmes
Wasserr
deutlich. Konkret K wiird
dieses in n der Anforderungslistte
dargestel llt. In
der FFunktionshiierarchie
wird
dies alss
„Warmwa asser bereitstellen“
zumm
Ausdruck
gebrachht.
Dies ist eine Subfun nktion von „mechanisc che Reinigu ungsleistungg
erzeugen“ “. Die
Haupptfunktion
ddes
Systems s ist „Geschhirr
spülen“ “. Im morph hologischenn
Kasten wu urden
insgeesamt
acht mögliche Lösungselem
L mente/Lösu ungsmuster erarbeitet. Als beste Mög-
lichkkeit
diese AAnforderung
g zu erfüllenn
wurde de er „Heiztank k“ ausgewäählt.
Im näc chsten
Schriitt,
der Wirrkstruktur,
wurde w der HHeiztank
nä äher spezifiziert.
Diesees
ist in Bil ld 4-1
dargeestellt.
Bild 4-1: Heizztank
– gleic ch für alle VVarianten
Konzipierung g eines Hybrid d-Spülsystemss
für Geschirrs spüler
Bild 4-1 zeigt ddie
Systemelemente,
weelche
im Heiztank
verb baut sind. DDas
Heizele ement
dientt
dem Erwäärmen
des Wassers. DDer
Temper ratursensor erfasst die e Ist-Tempe eratur.
Der SSchwimmerrschalter
be edingt ein AAbschalten
des d Wasserz zulaufs, weenn
ein best timmtes
NNiveau
im TTank
erreich ht ist. Dies vverhindert
das d Überlauf fen des Tank nks.

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Die Steuereinheeit
(nicht dargestellt)
vveranlasst
das d Öffnen des Kaltwwasserventils
s und
das EEinschalten
des Heizele ements. Derr
Temperatu ursensor ko ommuniziert rt die Tempe eratur
in Foorm
von eleektrischer
Spannung S (UUTemp_Heiztan
nk) an die Steuereinheiit.
Auf Basi is des
Spülpprogrammss/-abschnitts
s und der Istt-Temperatu
ur regelt die e Steuereinhheit
das Ein n- und
Aussschalten
des
Heizelem ments. Der Schwimme erschalter dient
der Üb Überwachung g des
Wasssereinlaufs.
Schaltet di ieser, wird eein
Abschal lten des Wa assereinlauffs
erzwunge en. Er
dientt
dem Schuutz
des Syst tems und dees
Benutzer rs. Ferner sind s alle Koomponenten
n me-
channisch
mit demm
Heiztank k verbundenn
(mech. Ve erbindung). Zusätzlich sind alle Ba autei
le miit
elektrischher
Energie versorgt (ell.
Energie).
Das Partialmoddell
Verhalt ten-Zuständde
beschreibt
einen Zustandsauto
Z omaten. In dem
Partiialmodell
VVerhalten-Ak
ktivitäten wwird
deutlich h zu welchem
Zeitpunnkt
einzelne e Elementte
des Heizttanks
anges sprochen weerden.
Bild 4-2 zeigt das d Gestaltmmodell
des Heiz-
tankss.
Mit Hilfee
dieses Part tialmodells wird der Heiztank H visu ualisiert. Ess
gibt Aufsc chluss
über die grobe GGeometrie
des d Bauteilss.
Bild 4-2: Gesttaltmodell
des d Heiztankks
Konzipierung g eines Hybrid d-Spülsystemss
für Geschirrs spüler
Der SSystemansaatz
wird in Bild B 4-3 deeutlich.
Es werden w alle Sichten derr
beteiligten n Do-
mäneen
bei der EErarbeitung
g der Prinzipplösung
ber rücksichtigt t. Es wird eein
einheitli iches,
domäänenübergreeifendes
Ve erständnis fü für das zu en ntwickelnde e System geeschaffen.

Seite 8
Bild 4-3: Dars rstellung des s Zusammennhangs
der Partialmod delle
Überr
die Bedienneinheit
(1 – Wirkstrukktur;
Darste ellung im mechatronisc
m chen Regelk kreis)
kannn
der Benutzzer
das Pro ogramm (2 – Verhalten n-Zustände) ) wählen. DDas
gesamte e Sys-
tem ( (3 Wirkstruuktur;
Darstellung
im mmechatronischen
Regelkreis)
arbeiitet
dann da asZu- standdsdiagrammm
(4 – Verh halten-Zustäände)
gemäß ß der Progr rammwahl aab.
Hinter jedem
Prozeessschritt
liiegt
ein Akt tivitäten-Diiagramm
(5 – Verhalte en-Aktivitätten)
welches
die-
sen ccharakterisieert.
5
Bewertuung
und Auswahhl
Konzipierung g eines Hybrid d-Spülsystemss
für Geschirrs spüler
Auf Basis der PPartialmode
elle lässt sicch
eine umfassende
un nd fundiertee
Bewertun ng der
Alterrnativen
vornehmen.
Dies D geschieeht
mit Hilf fe einer Nu utzwertanalyyse.
Mit ihr r lässt
sich der Nutzenn
ausdrücken,
der durcch
den Erfüllungsgrad
verschiedenner
Aspekte e dar-
gesteellt
wird. Diie
Bewertun ngskriterienn
basieren auf a den Vor rgaben des bbetrachteten
nUn- terneehmens
undd
sind für alle a Neuenttwicklungen
n anzusetze en. Sie glieedern
sich in i die
Aspeekte:
Funktiion,
Qualitä ät, Kosten, ZZeit
und Ch hancen. Gru undlage für die Gewich htung
der ffünf
Bewerttungskriteri
ien ist der ppaarweise
Vergleich. V Die D Nutzweertanalyse
ergab,
e

Seite 9 Konzipierung eines Hybrid-Spülsystems für Geschirrspüler
dass Variante 1 „Tanker“ das leistungsfähigste Konzept ist. Für dieses Konzept wurde
ein Funktionsmuster aufgebaut.
Mit Hilfe des Funktionsmusters sollten erste theoretische Überlegungen validiert werden.
Hierzu zählen die vorausgedachten Prozesszeiten und Abläufe. Die Variante konnte
alle Erwartungen erfüllen.
6 Zusammenfassung und Ausblick
Das Ergebnis dieser Arbeit ist eine vollständige Prinziplösung für einen Hybridspüler.
Zusätzlich wurde ein Funktionsmuster der leistungsfähigsten Variante aufgebaut. Ferner
wurden einige Bauteile bereits konkret spezifiziert (Heiztank). Die gesamte Konzeption
ist mit Hilfe des Funktionsmusters validiert worden.
Auf Basis der Tests hat sich weiteres Optimierungspotential ergeben: Zum einen kann
der Umwälzvorgang schon während des Wassereinlaufs gestartet werden. Genaue Zeiten
lassen sich hierbei allerdings noch nicht festlegen. Potential besteht auf der einen
Seite in einer weiteren Verkürzung der Prozesszeit. Auf der anderen Seite lässt sie Reinigungszeit
erhöhen, ohne eine Programmverlängerung in Kauf nehmen zu müssen, um
somit stärkere Verschmutzungen lösen zu können.

Seite 10 Konzipierung eines Hybrid-Spülsystems für Geschirrspüler
Abkürzungsverzeichnis
HNI Heinz Nixdorf Institut
KW Kaltwasser
PRS Professionelle Reinigungssysteme
WW Warmwasser
Literaturverzeichnis
[ADG+09] ADELT, P.; DONOTH, J.; GAUSEMEIER, J.; GEISLER, J.; HENKLER, S.; KAHL, S.; KLÖPPER,
B.; KRUPP, A.; MÜNCH, E.; OBERTHÜR, S.; PAIZ, C.; PORRMANN, M.; RADKOWSKI, R.;
ROMAUS, C.; SCHMIDT, A.; SCHULZ, B.; VÖCKING, H.; WITKOWSKI, U.; WITTING, K.;
ZNAMENSHCHYKOV, O.: Selbstoptimierende Systeme des Maschi-nenbaus – Definition,
Anwendungen, Konzepte. HNI-Verlagsschriftenreihe, Band234, 2009
[Fra06] FRANK, U.: Spezifikationstechnik zur Beschreibung der Prinziplö-sung selbstoptimierender
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175, 2005
[GEK01] GAUSEMEIER, J.; EBBESMEYER, P.; KALLMEYER, F.: Produktinnovati-on-Strategische Planung
und Entwicklung der Produkte von mor-gen. Carl Hanser Verlag, München, 2001
[GFD+08] GAUSEMEIER, J.; FRANK, U.; DONOTH, J.; KAHL, S.: Spezifikations-technik zur Beschreibung
der Prinziplösung selbstoptimierender Systeme des Maschinenbaus. In: Konstruktion,
Ausgaben 7/8-2008 und 9-2008, Springer VDI-Verlag, Düsseldorf, 2008
[PB07] PAHL, G.; BEITZ, W.: Konstruktionslehre – Methoden und Anwen-dung. Springer-Verlag,
Berlin, 7. Auflage, 2007