Bulaşık makinesi alternatif pervane tasarımı
Alternative spray arm design for dishwasher
Yazar: AHMET HAMİT YILMAZ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ VEDAT TEMİZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Günümüzde insan hayatını kolaylaştıran makineler arasında yer alan beyaz eşyalar üzerine yapılan çalışmalar her geçen gün artmaktadır. Enerji tüketimi düşük, daha performanslı makineler üretmek firmaların temel hedefidir. Bu amaçla şirketlerin AR-GE merkezlerinde araştırma ve geliştirme faaliyetleri yürütülmektedir. Beyaz eşya sektöründe yer alan firmalar birbirleri ile rekabet ederken geliştirdikleri teknolojilerle birbirlerinden ayrılmakta ve müşteri algısına hitap eden ürünler geliştirmektedir. Ürünün son adresi olan müşteriye hitap eden ergonomisi yüksek, fonksiyonel ve ulaşılabilir ürünler üretmek firmalar arasındaki rekabeti arttırmaktadır.
Bu çalışmada yıkayıcı ev aletlerinden olan bulaşık makinesinin yıkama performansını arttırmaya yönelik tasarlanan pervane mekanizması incelenmiştir. Arçelik Merkez AR-GE direktörlüğü Dijital Modelleme ve Yapısal Tasarım Yöneticiliği ve Arçelik Bulaşık Makinesi İşletmesi arasında ortak yürütülen bu proje kapsamında geliştirilen pervane ve alternatifleri anlatılmaktadır. Geliştirilen pervanenin detay tasarımları oluşturulmuş ve seri üretimine geçilerek piyasaya sunulmuştur.
Çalışma kapsamında öncelikle bulaşık makinesi çalışma prensibi ve bulaşık makinesi komponentleri incelenmiştir. Daha sonra literatür araştırması kapsamında yıkama performansına etki eden parametreler ortaya konmuştur. Bu parametreler mekanik etki, kimyasal etki, zaman ve sıcaklık olarak sıralanabilir. Patent araştırması yapılarak tekniğin bilinen durumu belirlenmiş ve firmaların yıkama sistemleri incelenerek çok yönlü bir araştırma yapılmıştır. Literatürde belirtilen standartlara göre bulaşık makinesi temizleme performansı değerlendirme ölçütleri ve yıkama performansı sınıflarının belirlenme kriterleri araştırılmıştır.
Bulaşık makinesi yıkama performansını arttıracak çözümleri belirlemek amacıyla sistem gereksinimleri belirlenmiştir. Önerilen çözümün uygulanılması düşünülen Arçelik bulaşık makinesinin yapısı incelenmiştir. Sistemin boyutları, konstrüksiyon kısıtları ve işleyişi belirlenerek sistem sınırları çizilmiştir. Mevcut bulaşık makinesinde kullanılan pervanenin yapısı ve çalışma prensibi incelenmiştir. Yapılan bu çalışmalar sonrasında konstrüksiyon sistematiğine göre istekler listesi oluşturulmuştur. İstekler listesi oluşturulurken müşteri beklentileri ve firma istekleri dikkate alınmıştır. Bu doğrultuda yıkama performansını arttırmak amacıyla pervanenin tasarımında değişiklik yapılmasına karar verilmiştir.
İstekler listesi belirlendikten sonra alternatif fonksiyon strüktürleri oluşturulmuştur. Alternatif fonksiyon strüktürleri oluşturulduktan sonra alternatiflerin taslak çizimleri yapılmıştır. Taslak çizimlerin ardından alternatifler CAD ortamında modellenerek konsept tasarımları oluşturulmuştur. Oluşturulan her alternatifin temel fonksiyonu, pervanenin tarama alanını arttırmak olmakla beraber fonksiyonu gerçekleştirme şekli farklıdır. Pervane tasarımı için oluşturulan alternatif fonksiyon strüktürlerinin alt fonksiyonları oluşturularak her birinin avantajları ve dezavantajları belirlenmiştir. Ağırlıklı hedefler matrisiyle alt fonksiyonlardan en iyisi seçilerek hedef büyüklükler matrisi oluşturulmuştur. Ağırlıklı hedefler matrisindeki alternatiflerden en iyi skora sahip olan alternatif belirlenmiştir. Matrisin yanı sıra ekonomik değerlendirme de göz
xx
önüne alınarak alternatifler karşılaştırılmış ve en iyi sonuca sahip alternatifin detay tasarımı yapılmıştır.
Detay tasarım aşamasında ilk olarak sistemde kullanılacak dişli çark mekanizmasının boyutlandırılması yapılmıştır. Mekanizmada kullanılacak olan tüm parçaların plastik enjeksiyon yöntemiyle üretilmesine karar verilmiştir. Bu nedenle parçalar plastik parça tasarım kriterlerine uygun olarak tasarlanmıştır. Detay tasarım çalışması tamamlanarak sistemin prototipi yapılarak sistemin çalışması sırasında, imalat ve montaj aşamalarında oluşabilecek problemler tespit edilmeye çalışılmıştır. Prototipleme aşamasında dişli çark parçaları ve tahrik pervanesi parçaları talaşlı imalatla POM malzemeden; üç kollu pervane ve filtre destek parçaları hızlı prototipleme yöntemi ile 3D yazıcıda üretilmiştir. Parçaların tasarımda verilen ölçülere uygun olduğu tespit edildikten sonra dişli çark mekanizmasının montajı yapılarak test aşamasına geçilmiştir. Test aşamasında sistem, bulaşık makinesi içerisine gruplanarak sistemin öncül yıkama performansı testleri yapılmıştır. Yıkama testleri sonrası teknik problemler tespit edilmiş ve problemlere çözüm önerileri oluşturulmuştur. Seri üretimde kullanılacak malzeme hammaddeleri seçilmiştir. Yıkama testleri sırasında oluşan problemlerin kaynağını tespit etmek ve çözüm oluşturmak amacıyla yapısal analiz ve tolerans analizi çalışmaları yapılmıştır. Oluşturulan çözüm önerileri tasarıma aktarılmıştır.
Pazardaki çeşitliliğin fazla olması, firmalar arasında rekabetin artması ekonomik koşulların da etkisiyle markaların geliştirdiği çözümler müşteri odaklı olmak zorundadır. Sunulan çözümler; kullanıcının günlük yaşamda yaşadığı problemler, eksiklikler ve arzuları doğrultusunda şekil kazanmaktadır. Bu nedenle sunulan çözüm kullanıcı deneyimi ile sonuçlanmaktadır. Problemin belirlenmesiyle birlikte bulaşık makinesinde uygulanacak yeni pervane tasarımının adresi son kullanıcıdır. Yapılan kullanıcı deneyimi testinde, bulaşık makinesi yıkama sistemi için yapılan bir iyileştirme olmakla beraber kullanıcının da pervaneyi ve pervanenin çevresindeki komponentleri kolay kullanması amaçlanmaktadır. Bu amaçla yeni pervane tasarımı kullanılabilirlik testine alınmıştır. Test, evde günlük kullanımı simüle eden görevlerin test katılımcıları tarafından yerine getirilmesi sağlanarak yapılmıştır. Test katılımcılarına algısal kalite soruları da test esnasında yöneltilmiştir. Pervanenin kullanıcıya yaşattığı deneyim analiz edilmiş ve gelişime açık yönleri tespit edilmeye çalışılmıştır. Tasarım finalize edilirken bu kriterler göz önüne alınmış ve tasarımda revizyon yapılarak sistemin açık yönleri kapatılmaya çalışılmıştır.
Tasarlanan pervanenin yıkama etkinliğini belirlemek ve konvansiyonel pervane ile arasındaki yıkama performansı farkını ölçmek amacıyla EN50242 "Ev tipi bulaşık makinelerinin performansının ölçülmesi" başlıklı standardına göre Arçelik Bulaşık Makinesi İşletmesi'nde testler yapılmıştır. Yıkama performansı ölçülen yeni tasarımda yıkama etkinliğinin arttığı gözlenmiş ve yıkama performansındaki iyileşme sayısal olarak belirlenmiştir. Geliştirilen pervanenin yıkama performansı puanı hesaplanarak referans makineye göre puanı oranlanarak yıkama performansı sınıfı belirlenmiştir.

Abstract:
Nowadays, studies on household appliances that simplify people's lives is increasing every day. Producing machines with low energy consumption and more performance is the main goal of the companies. For this purpose, research and development activities are carried out in R&D centers of companies. The companies in the white goods sector are separated from each other by the technologies they develop while competing with each other and develops products that address customer perception. Producing high ergonomics, functional and accessible products that address the customer's last address increases the competition between firms. Dishwashers take part almost every home nowadays and they have been being designed so as to ease style of human living. In this extent of study, history of dishwasher has been examined. Dishwashers are defined as machines which perform kitchen equipments cleaning and rinsing. The first cleaning system has been discovered at second half of 19th century and they are not automatic as today's machines and they have more likely mechanic structure. Then, automatic dishwashers have been coming into human life at 20th century. By development and optimization, these machines has been transformed into current figure.
A dishwasher is a mechanical device for cleaning dishware and cutlery automatically. Unlike manual dishwashing, which relies largely on physical scrubbing to remove soiling, the mechanical dishwasher cleans by spraying hot water, typically between 45 and 75 °C at the dishes, with lower temperatures used for delicate items. A mix of water and dishwasher detergent is pumped to one or more rotating spray arms, which blast the dishes with the cleaning mixture. Once the wash is finished, the water is drained, more hot water enters the tub by means of an electro-mechanical solenoid valve, and the rinse cycle begins. After the rinse cycle finishes and the water is drained, the dishes are dried using one of several drying methods.
In this study, the spray arm mechanism designed to improve the washing performance of the dishwasher, which is one of the washer household appliances, was investigated. The detail designs of the spray arm were developed and introduced to the market by mass production.
Firstly, dishwasher working principle and dishwasher components were examined. Afterwards, the parameters affecting the washing performance were determined within the scope of the literature research. These parameters can be listed as mechanical effect, chemical effect, time and temperature. The state of the art was determined by patent research and a multifaceted research was conducted by examining the washing systems of companies. The criteria for the determination of dishwasher cleaning performance evaluation criteria and washing performance classes according to the standards specified in the literature were investigated.
System requirements have been determined in order to create solutions to improve dish washing performance. The structure of the Arcelik dishwasher, which is considered to be implemented the proposed solution has been examined. System limits have been drawn by determining system dimensions, construction constraints and operation. Following these studies, a list of requirements was created according to the construction system. Customer wishes and company requests were taken into account when creating requests list. In order to increase washing performance, it was decided to change the design of the spray arm.
After determining the list of requests, alternative function structures were created. After the creation of alternative functional structures, draft drawings of alternatives were prepared. Concept designs have been created by modeling draft drawings in CAD environment. The basic function of each alternative created is to increase the scanning area of the spray arm, but the way it performs the function is different. The advantages and disadvantages of each of the sub-functions of alternative functional structures created for spray arm design have been determined. The alternative with the best score was determined from the alternatives in the weighted targets matrix.
In the detail design phase, the gear mechanism used in the system was firstly dimensioned. It was decided to produce all the parts to be used in the mechanism by plastic injection method. For this reason, the parts are designed according to the design criteria of plastic parts. The detail design work was completed and the prototype of the system was made. During the operation of the mechanism and problems that may occur during the manufacturing and assembly stages were identified. In the prototyping stage, gear wheel components and drive spray arm parts are manufactured from POM material by machining; three-spoke propeller and filter support parts manufactured in 3D printer with rapid prototyping method. After the parts were determined to be in accordance with the dimensions given in the design, the gear mechanism was assembled and the test phase was started. In the test phase, the system was assembled into the dishwasher and the preliminary washing performance tests were performed. After the washing tests, technical problems have been identified and solutions to the problems have been established. Raw materials to be used in mass production were selected. Structural analysis and tolerance analysis studies were conducted to determine the source of the problems occurring during the washing tests. The proposed solutions were transferred to the design. Due to the high diversity in the market, the increase in competition among the firms and the economic conditions, the solutions developed by the brands must be customer-oriented. Offered solutions is gaining shape by the problems, shortcomings and desires of the user in daily life. Therefore the presented solution results in user experience. With the determination of the problem, the address of the new spray arm design to be applied in the dishwasher is the end user. In the user experience test, as well as an improvement for the dishwasher washing system, the user is also intended to use the spray arm and components around the spray arm easily. For this purpose, the new spray arm design has been put to usability test. The test was carried out by participants to perform tasks that simulate daily use at home. Perceptual quality questions were also asked during the test. User's spray arm experience has been analyzed and aspects of development tried to be detected. While finalizing the design, these criteria were taken into consideration and revision was made in the design and the open aspects of the system were tried to be closed. The tests were carried out in Arçelik Dishwasher Plant based on the standard titled EN 50242 "Measuring the performance of domestic dishwashers". In these tests, it is aimed to determine the designed spray arm's washing efficiency and to measure the washing performance difference between it and the conventional spray arms. It was observed that the efficiency of washing increased with the use of new design spray arm and the improvement in washing performance was determined quantitatively/ numerically. The washing performance score of the spray arm was calculated and the washing performance class was determined by proportioning the score according to the reference machine.