[Vorstellung] Pimp my Frog

Pimp my Frog

Die Frog ist eine ESE-Padmaschine von Didiessesrl (www.didiessesrl.eu). Sie zeichnet sich vor allem durch ihr verrücktes italienisches Design aus, liefert aber auch vergleichsweise gute Ergebnisse und kostet nicht zu viel. Und sie hat einen Hebel. Meine Frog wurde mit einer elektronischen Druck- und Temperaturregelung und Wifi gepimpt. Wie das ausgegangen ist, wird im folgenden beschrieben.

Frogs existieren in vielen Farben. Dies ist Arancio.​

Für 15 EUR bekommt man neue scocche (Gehäuseschalen), u.a. bei www.cialdemania.it. Auch die bis zur letzten Schraube verfügbaren ricambi (Ersatzteile) sind günstig.

Die Maschine ist, wie ESE generell, vor allem in Italien bekannt. Laut Hersteller werden 85% der 130000 jährlich produzierten Maschinen dort verkauft. In Deutschland wird man für die Beschaffung wohl auf Onlineshops zurückgreifen müssen. Der Röster Caffè Borbone verkauft Frogs direkt aus Italien versandkostenfrei auf www.caffeborboneonline.it. Es gibt ein "Modello Base" ohne Dampf und eine "Versione Vapore" mit Dampf. Alles weiter bezieht sich auf die Basisversion. Bei der sind zwei der vier Schalter (die rechten: rot und blau) ohne Funktion und könnten für eigene Zwecke eingesetzt werden.

Aufbau

Mechanik (siehe auch: www.didiessesrl.eu/esploso/frog/#V1-1)​

Eine solide Stahl-Mechanik unter dem Kunststoffkleid spannt Pads mit einem befriedigend satten Klack am Hebel bombenfest ein. Das funktioniert viel besser, als ESE-Umbau-Kits für Siebträger. Die Mechanik integriert den Thermoblock und den Gruppenkopf, d.h. alles wird beim Einspannen zusammen verschoben. Eine ungewöhnliche Idee, die wahrscheinlich vor allem Kosten sparen soll, die aber auch vorteilhaft für die Brühwasssertemperatur sein dürfte, da es keine Umwege durch kalte Schläuche, Fittinge und ein Magnetventil gibt: Was aus dem Thermoblock kommt, trifft sofort auf Kaffee.

Brühgruppe
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Unter dem Pad-Schacht befindet sich eine handfest angezogene schwarze Kunststoffschraube. Nach Lösen der Schraube kann man den unteren Padhalter (Sieb) zur Reinigung entnehmen. An dieser Stelle lässt sich auch der Anpressdruck regulieren, indem man eine mitgelieferte Gummi-Distanzeinlage unter dem Padhalter einlegt.

Thermoblock​

Der Thermoblock der Frog. So sieht er zumindest in der aktuellen Version "Revolution 2017" aus. Früher war er rund. Die Regelung erfolgt durch ein 95°C-Thermostat.

Während es ein elektrisches 3-Wege-Ventil zur Druckentlastung nach dem Bezug gibt, fehlt ein Ventil zur Druckregelung: Die Pumpe baut immer den maximal möglichen Druck auf (den, den sie bei der Flussrate, die das jeweilige Pad zulässt, aufbauen kann). Es ist eine CP SMART 15bar von ARS, die bei typischer Espressoflussrate laut Datenblatt 12bar - 13,5 bar aufbaut. Mit Borbone-Pads habe ich 13,7bar gemessen, mit fausto-Pads 11,7 bar und gegen ein Blindsieb 16,4 bar. Ich könnte nicht sagen, welcher Druck bei ESE eigentlich vorgesehen ist. Die Durchlaufzeiten der Borbone-Pads sind damit gut, meistens ideale 25s.

Das 3-Wege-Ventil der Frog wurde unkonventionell und ökonomisch direkt an die Pumpe geschraubt, statt wie üblich im heißen Abschnitt - zwischen Heizaggregat und Gruppe - installiert zu werden:

3-Wege-Ventil (Messing + schwarze Spule)​

Es entwickelt so keine abkühlende Wirkung auf das Brühwasser. Ein Nachteil dieser Installationsvariante ist, dass die mit 50Hz angeregte Masse größer ist, d.h. dass es beim Leerbezug potentiell lauter zugeht.

Temperatursensor

Für die Temperatur-Regelung per Mikrocontroller habe ich einen kalibrierten Halbleitersensor installiert. Der Sensor wurde mit Wärmeleitkleber befestigt, die etwas raue Klebestelle auf dem Thermoblock wurde vorher poliert.

Temperatursensor​

Spätere Messungen haben gezeigt, dass das möglicherweise nicht die beste Position ist: Die Temperatur am unteren Ende des Blocks ist ca. 1,5°C höher. Ich hatte den heißeste Punkt oben vermutet. Für eine Regelung ist die Differenz normalerweise unbedeutend (es stellen sich schnell konstante Temperaturunterschiede zwischen den möglichen Messpunkten ein, die nur als Offset berücksichtigt werden müssen), aber bei einer Maschine, die 90s nach dem Einschalten einen Bezug durchführen soll, könnte es ungünstig sein, wenn die Reglung auch nur für kurze Zeit eine falsche Idee von einer wichtigen Temperatur hat.

Mit dem neuen Sensor wurde zunächst gemessen, welche Temperaturschwankungen der Thermostat erzeugt:

In Ruhe schwankt die Temperatur mit 5 Minuten Periodizität um 12 Grad​

Pads & Crema

Bei ESE-Pads sind etwa 7g Kaffee im Spiel (Izzo 6,95g; Lucaffe, Illy: 7g; Caffè Borbone: 7,2g). Crema-Volumen und Crema-Farbe sind gut. Während des Bezugs mit den Robusta-lastigen Pads "Nero" und "Rosso" von Caffè Borbone landen bis zu 50% Crema im Glas. Die Durchlaufzeit für 25ml mit 13,7bar Brühdruck liegt bei denen bei idealen 25s.

Geschmack der Borbone-Pads: Bitter. Könnte dem italienischen Geschmacksideal entsprechen und Absicht sein, passt mit Zucker, ist aber hauptsächlich der hohen Brühtemperatur der Thermostat-geregelten Frog zuzuschreiben, denn sie brüht mit fast 99 Grad, wenn man direkt nach den 90s-Aufheizzeit loslegt. Zwar würde niemand eine Siebträgermaschine so kurz nach dem Einschalten benutzen, aber bei ESE-Maschinen gehört das schnelle Ergebnis zu den Erwartungen.

Pad-Temperaturverlauf beim ersten Shot einer kalt eingeschalteten Frog mit Thermostat-Regelung​

Dies ist nur einer von vielen möglichen Brühtemperaturverläufen. Sie sind durch die Thermostatregelung abhängig vom Zeitpunkt im 5 Minuten-Thermostatzyklus, in dem der Bezug beginnt – das bestimmt die Anfangstemperatur und den Moment, in dem die Heizung wieder anspringt.

Die Brühtemperatur war einfach messbar: Man kann die von der Isolierung befreiten Drähte eines dünnen Thermoelements zusammen mit dem Pad einspannen. Die Dichtung wird damit fertig und da es keine Rotation wie bei Siebträgern gibt, besteht nicht die Gefahr, dass der Sensor abgeschert wird. Die Drähte wurden in dem Bereich, in dem sie den Siebrand passieren, mit Kapton-Tape isoliert.

Komponententräger

Das größte Problem beim Einbau von Mikrocontroller, Relais, Flowmeter und Drucksensor war das organisch geformte Gehäuse ohne gerade Flächen. Man könnte einen doppelten Boden in das Tankfach einziehen und darunter installieren, aber ich habe es vorgezogen, lieber die Hitze als die Nähe von verschüttetem Wasser in Kauf zu nehmen und im vorderen Teil installiert. Dazu wurde bei laserteileonline.de ein Träger aus 1,5mm-Alublech gelasert:

Trägerblech. Herstellung kostete etwa 15€​

In Form gebogen​

Das Blech wurde über Tischkanten und -ecken von Hand in Form gebogen. Das Ergebnis war diese Struktur, die alles tragen wird.

So werden die Komponenten installiert​

Die Komponenten mussten vor dem Einbau am Träger installiert werden - einschließlich der Kabel am Relais. Man kann nur hoffen, das man zu diesem Zeitpunkt alle Fittinge dicht bekommt, denn sollte sich Stunden später, bei Inbetriebnahme, eine Stelle als undicht erweisen, müsste man alles wieder ausbauen und von vorne anfangen. Besonders eine G-auf-G-Verschraubung wie zwischen dem messingfarbenen NPT-Adapter und dem geradem CK-Fitting brauchte viel Band. 20cm vom 0,075mm-Band sollten es mindestens sein.

So passt das Teil in die Frog​

 

Die Umgebungstemperatur der Platine (Lufttemperatur) erreicht nach einigen Stunden Betrieb mit Original-Thermostat etwa 45 Grad bei 22 Raumtemperatur - zulässig wären 60 Grad. Das Alublech wird bis 58 Grad heiß. Für die daran angebrachten Klebefüße möglicherweise auf Dauer problematisch. Die waren nicht vorgesehen, es sollten eigentlich Snap-In-Abstandhalter für 3,2mm-Löcher verwendet werden, aber ich hatte Löcher falscher Größe lasern lassen.

Drucksensor

Abzweigung für den Drucksensor​

Die Integration des Drucksensors in das Fluidsystem war naheliegend: Das "L"-Stück am Magnetventil (CK-Fitting für 6x4-Schläuche) wird durch ein "T"-Stück ersetzt und damit hat man die Abzweigung für den Sensor. Dazu muss man die Pumpe nicht mal ausbauen: Man schraubt den CK-Schlauchverbinder am Ventil ab. Anschließend kann man den Schaft der Pumpe, der relativ zum Pumpenkörper drehbar ist, in eine Montage-freundliche Position drehen. Das Ventil an der Pumpe (genauer: dessen schwarze Spulenkörper) ist auch drehbar.

Das T-Stück wurde schräg gestellt, um den störrischen PTFE-Schlauch besser an der Pumpe vorbei zum Drucksensor führen zu können. Die Installation des Schlauchs war nervenaufreibend: Er sollte unter etwas Druck stehen, damit er sich biegt und einen Bogen um die Pumpe macht. Sandpapier zwischen den Fingerspitzen kann helfen, Grip am Teflon-Schlauch zu bekommen.

Weil der Sensor näher an der Pumpe als am Kaffee installiert wurde und weil es kaum dämpfenden Elemente gibt (kein Boiler mit Luftpolster, kein Siebträger mit Luftpolster, kein Membranregler), zeigt der Druckverlauf, wenn er ohne Dämpfung betrachtet wird, deutliche Ausschläge mit den Pumpenhüben: 50 mal pro Sekunde ändert sich der Druck am Sensor um +- 2bar.

Ungedämpfter Druckverlauf als graues Band hinterlegt, hier in einem Bezug mit Pressure-Profiling​

Blindsieb

Die Frog kann keinen Druck im Thermoblock aufbauen, indem sie das Magnetventil schließt und pumpt - ein an der Pumpe angeschraubtes Magnetventil liegt zwangsläufig vor jedem Sensor. Somit funktioniert der Drucktest beim Einrichten von Pressure-Profiling nur, wenn das System per Blindsieb abgedichtet wird. Der Haken: Es gibt kein Blindsieb für Frogs. Als Provisorium musste ein Stück Folie über einem unterstützenden Pad ausreichen. Das blieb bis zum Maximaldruck von ca. 16bar dicht. Da diese Maschine viel Druck aufbauen kann, wurde ein Drucksensor mit 300PSI Messbereich gewählt (ca. 20bar).

Regelung

Die angegebene Heizleistung von 600W entspricht Pi mal Daumen dem, was bei 1er-Sieb-Flussrate erforderlich ist, um den Wärmeenergieverlust durch Kaltwasser-Zufluss-Heißwasser-Abfluss ad hoc ausgleichen zu können (Online-Rechner Spezifische Wärmekapazität), deshalb hatte ich vorab angenommen, dass stupides Heizen mit voller Leistung, wie es Thermostate leisten, beim Bezug die Brühtemperatur schon gut halten würde. Messungen auf dem Pad zeigten dann aber einen stetigen Anstieg um 4ºC im Bezugsverlauf:

Heizen mit 100%. Mangenta = Temperatur auf Pad; Rot = Sensor Thermoblock (Link: Großes Bild)​

Mit 30% Heizleistung, per Firmware limitiert, ergab sich eine flacheTemperaturkurve im Kaffee:

Heizen mit 30%. Mangenta = Temperatur auf Pad; Rot = Sensor Thermoblock (Link: Großes Bild)​

Temperaturverhalten direkt nach dem Einschalten

Um zu untersuchen, ob die Frog mit PID-Regelung am Ende der 90s-Aufheizzeit ohne Abstriche benutzt werden kann, wurde die Brühtemperatur im Pad beim ersten Bezug nach dem Aufheizen - vom kalten Zustand ausgehend - gemessen:

Temperatur im Kaffeepad. Erste Bezug nach dem Einschalten; ohne Tassenaufwärmen​

Ziel war 89 Grad Brühtemperatur (INEI: 88°C ± 2°C). Der Regler wurde unter Berücksichtigung des -1,5C-Offsets auf 87,5 Grad eingestellt. Der Bezug wurde beim Verlöschen der Regler-Lampe gestartet. Die Lampe zeigt das Erreichen der Solltemperatur bis auf 1 Grad an.

Temperatur im Kaffeepad. Erster Bezug nach dem Einschalten; mit Tassenaufwärmen​

Nur wenn man vor dem ersten Bezug ein Tassenaufwärmen einschiebt und danach einige Sekunden auf die Lampe wartet, gibt es am Ergebnis nichts auszusetzen.

Temperatur im Kaffeepad. Bezug nach 30min weiterer Standzeit; ohne Tassenvorwärmen​

Pressure Profiling

Pressure-Profiling habe ich bisher weder optimal konfiguriert noch ausführlich getestet – dafür müsste man mehr Pads einsetzen, als ich zur Zeit übrig habe. Aufgefallen ist mir bisher nur, dass die Durchlaufzeit der Borbone-Pads bei 13,7bar länger ausfällt, als bei 9bar. Hoher Druck bedeutet mehr treibende Kraft für das Wasser, aber der zunehmende Widerstand durch die physikalische Komprimierung des Kaffeebetts unter Druck hebt diesen Effekt bei sehr hohem Druck anscheinend mehr als auf.

Da der Espresso mit etwas älteren fausto-Pads (MHD 20/11/19) beim ungeregelt aufgebauten Druck von 11,5bar zu schnell durchlief und 45,1g statt 20g in 25s in der Tasse landeten, habe ich bei denen weitere Druckniveaus aufprobiert, um zu sehen, ob man die Pads noch retten kann: 8bar führen zu 45,3g in 25s und selbst 5bar führen immer noch zu 33,0g in 25s.

Fazit

Es war ein schwierig Umbau, vor allem durch die beengten Verhältnisse. Der Umbau des roten Schalters zur Signallampe für den Regler (durch Einsetzen einer LED) war nur mit einer Heißluftlötstation möglich, da die Schalter an den Laschen verklebt sind. Wenn man die Laschen ohne Erhitzen aufhebelt, brechen sie. Von den Komponenten und Kabeln, die ich von meinen Modulen hatte, konnte ich vieles nicht verwenden. Es war z.B. einfacher, einen komplett neuen Kabelbaum aufzubauen und einige Original-Kabelstücke zu integrieren (jene mit den abgewinkelten Steckern, die ich nicht selber crimpen kann, die man aber an engen Stellen braucht). Die Halterung für das Flowmeter erforderte eine spezielle Variante mit 2,8mm-Montage-Pin.

 

> Passt der Umbau auch für die Version mit Dampf (Vapore)?

Passt nur für das Basismodell ohne Dampffunktion. Zumindest in dieser Form (Einbau rechts), mit der gewählten Elektronik und Firmware von project caffè!.

> Ist eine Verkaufsversion angedacht oder gar geplant? Bausatz oder fertige Maschine?

Weder noch. Die Vorstellung soll nur eine Beispiel sein, was man mit ito machen könnte, wenn man motiviert ist - und nebenbei interessante Messungen zum Druck- und Temperaturverhalten der Frog liefern.

Es wäre für die Meisten zu schwierig, eine Frog so umzubauen, nicht zuletzt weil spezielles Werkzeug erforderlich ist: Diverse Schlüssel, lange Pinzette (z.B. Reichelt's PZ 8, um Kabel durch den verbauten Innenraum zu fädeln), MOLEX-, FASTON- und Adernendhülsen-Crimpzangen (reichelt's CRIMPZANGE PSK und PRESSZANGE AEH sowie pollin's 500668), Löt- und Heissluftlötstation (um Schalter zu öffnen und eine LED einzusetzen).

Wer das alles hat und von der anspruchsvollen mechanische Seite (Crimpen, Installieren, Löten, Schalter öffnen/LED einbauen) nicht abgeschreckt wird, sollte auch den Rest schaffen. Es wird noch etwas mehr Informationen dazu geben.

 

CAD-Datei und Bilder vom Einbau (incl. Schaltplan): cad.rar

 

Thermostat-geregelte Maschinen haben Lampen, die anzeigen, wann der Tiefpunkt erreicht ist (Heizung geht an) und wann die maximale Temperatur erreicht ist (Heizung geht aus). Wenn Du das beachtest, ist kein Glück im Spiel. Wenn einem die Warterei zu blöd wird, kann man etwas Wasser pumpen und den Anbruch eines neuen Zyklus erzwingen - a.k.a. Temperatursurfen.