Espressomaschine mit spindelgetriebenem Kolben?

Diskutiere Espressomaschine mit spindelgetriebenem Kolben? im Grundsätzliches Forum im Bereich Fragen und Tipps; Hallo zusammen, ich überlege mir gerade (noch aus Spaß, ohne 100% Absicht diese zu bauen) ein Konzept einer Espressomaschine, bei der ein Kolben...

  1. Pflunz

    Pflunz Mitglied

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    Hallo zusammen,

    ich überlege mir gerade (noch aus Spaß, ohne 100% Absicht diese zu bauen) ein Konzept einer Espressomaschine, bei der ein Kolben durch einen Schrittmotor mit Spindel angetrieben wird.
    Grob geplant würde ich einen quaderförmigen "Boiler" planen, bei dem ein Rohr durch die Mitte geht, welches als Lauffläche für den Kolben dient. Der Zylinder hätte also immer genau die Wassertemperatur des Boilers.
    Zum Start würde der Kolben wie bei einer Spritze zurück gezogen werden und über ein Rückschlagventil das Wasser aus dem Boiler einsaugen. Anschließend presst der Kolben das Wasser durch die Brühgruppe.
    Der Kolben wird dabei durch eine Kugelumlaufspindel und einen Schrittmotor angetrieben. Ein Flow-gesteuerter Bezug wäre so super einfach zu realisieren, da man die Schrittfrequenz einfach per Dreisatz berechnen kann.
    Mit einem Drucksensor wäre die Regelung nach einem Druckprofil ebenfalls einfach zu realisieren. Ist der Druck zu niedrig --> Pulse schneller, ist der Druck zu hoch --> Pulse langsamer.

    Beim Nachrechnen kommt man darauf, dass ein Schrittmotor mit knapp 1Nm als Antrieb reicht, bei folgenden Annahmen:
    • Durchmesser des Kolbens 58mm
    • Übersetzung 4:1 von Motor auf Spindel
    • Spindelsteigung 5mm/U
    • Hub von 70mm
    • 60% Effizienz
    Hierdurch wäre ein Druck von 15 bar (aus Sicherheitsgründen damit gerechnet) möglich, ohne die Spindel überstrapazieren zu müssen (4kN bei >5kN Belastbarkeit). Wassermenge wäre pro Vollschritt 15µl. Maximale Flussrate: 40ml/s, reicht also auch für Heißwasser oder einen normalen Kaffee.


    Interessant fände ich den Ansatz, den Boiler nur auf etwa 80°C zu erhitzen, und am Ausgang der Pumpe einen kleinen Durchlauferhitzer (600-800 Watt) mit relativ wenig Masse zu bauen, um auch eine Temperatursteuerung während des Bezugs zu ermöglichen. Um auch einen Heißwasserbezug zu ermöglichen, würde ich nach dem Thermoelement auf zwei Ventile Abzweigen, eines für Heißwasser und eines zur Brühgruppe. Zur Brühgruppe würde ich ein Dreiwege Ventil nehmen (oder ein zweites Zweiwegeventil, könnte mir vorstellen dass das preislich nicht so viel ausmacht und man wäre nicht auf den Druck des Überdruckventils limitiert), welches unbestromt das Wasser über ein Überdruckventil zur Auffangschale lässt. Ich mal das morgen noch einmal auf.

    Die Brühgruppe wurde ich aktiv durch eine Heitpatrone vorheizen.

    Gibt es bis jetzt irgendwelche bedenken oder Kritik, oder etwas was ich nicht bedacht habe?
    Hat mir vielleicht jemand irgendwelche Stichworte wie ich die Dichtringe des Kolbens auslegen kann?

    Danke und liebe Grüße
    Gerald
    halboffenmitmotor.png
     
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  2. #2 sokrates618, 11.09.2019
    sokrates618

    sokrates618 Mitglied

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    Hallo Pluntz,

    interessanter Ansatz. Wie wird verhindert, dass beim Ansaugen Luft in das System kommt? Ein Heißwasserbezug für z.B. 1/2l Teewasser stelle ich mir bei dem kleinen Volumen des Kolben schwierig vor, zumal nach einem "Bezug" das Wasser erst einmal wieder aufgeheizt werden muss. Weshalb ist der Boiler quaderförmig und wie soll er beheizt werden? Ich glaube, dass mit einer Zahnradpumpe eine Druck- bzw Flowsteuerung einfacher zu realisieren ist. Für die Kolbenringe würde ich auf vorhandene Fabrikate der üblichen Handhebelmaschinen zurückgreifen.

    Gruß, Götz
     
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  3. #3 DaBougi, 12.09.2019
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    Ich habe mich manchmal gewundert, warum es folgendes nicht gibt:
    Einen klassischen Handhebler (vom Aufbau) , aber statt des Hebels wird der Kolben wie bei deinem Gedankenspiel per Motor bewegt. Die Möglichkeiten scheinen enorm, gerade was Flow betrifft. Man könnte z.b. recht einfach das Hubvolumen und die Durchlaufzeit "vorwählen"...nachdem auch keine "Flexkräfte" wie beim Hebeln auftreten, kann das (die Brühgruppe) enorm stabil gebaut werden, ohne dass die restliche Maschine ein Koloss sein müsste wegen "Flexkräften" und Kippen.
     
  4. #4 Kaffeeviertel, 12.09.2019
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    Hallo Pflunz,
    Ich hatte mir ein ähnliches Konzept als offenen Boiler konzipiert. Ich schaue mal, ob ich die Tage dazu komme, eine Schnittzeichnung zu posten.
    Mein allgemeiner Tipp ist es (ich bastele gern eigene Maschinen zusammen), auf Standardkolben und -dichtungen zurückzugreifen. Ich habe am Anfang viel mit 3D-Druck gearbeitet und Prototypen gebaut, die in der Umsetzung unendlich teuer geworden wären, da jedes Bauteil einzelnen gefertigt werden muss.
    Seitdem versuche ich, Kolbenmaschinen grundsätzlich um Pavoni-Bauteile herumzukonstruieren. Den Messingkolben mit den beiden Dichtungen bekommst Du überall und für immer. Für eine extrem einfache Siebträger-Halterung/Brühgruppe kann man eine alte ROK flöhen und auf dieser Basis muss dann lediglich der Kessel konstruiert werden.
    Grüße und viel Spaß!
    Christoph
     
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  5. Pflunz

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    Hallo zusammen,

    Der Zylinder befindet sich im Kessel. Beim zurückziehen wird Wasser aus dem Boiler in den Zylinder gezogen. Im Boiler entsteht so ein Unterdruck welcher über einen Schlauch zum (im Moment einfach nur als "Eimer" geplanten) Tank neues Wasser einsaugt.
    Ja, geplant ist einfach nur eine Tasse (200ml) Wasser im Kolben. Alles darüber habe ich bis jetzt noch nie gebraucht oder wird mit einem normalen Wasserkocher gemacht.
    So kann ich ihn einfach als Platten lasern lassen und zusammenschweißen. Heizung ist bis jetzt über einen normalen Tauchsieder geplant. Vielleicht findet sich ja einer der spiralförmig um den Zylinder passt. Induktion wäre zwar cool, aber wenn ich nur Edelstahl benutze macht das nicht so viel Sinn, da ich dann wieder irgend etwas magnetisches an den Boiler schrauben müsste.
    Ich war bis jetzt der Meinung dass die Zahnradpumpen auch einen druckabhängigen Flow haben.
    So habe ich tatsächlich auch angefangen, fand es jedoch nicht so schön, dass der Motor vorne aufsitzt. Auch das Temperaturverhalten ist glaube ich bei Handhelern nicht ideal, da das Wasser deutlich heißer sein muss als beim Bezug. So dachte ich kann ich diese Probleme umgehen.
    Ja, meine Möglichkeiten zur Herstellung habe ich auch zumindest auf lasern, schweißen und drehen beschränkt. Für den Kessel würde ich die Platten lasern lassen und zusammenschweißen (nur der Deckel soll geschraubt werden). Für den Zylinder würde ich ein einfach Rohr benutzen. Nur der Zylinder ist etwas aufwendiger, aber im prinzip wieder ein Rohr mit Deckel aufgeschweißt. Nur die Nut für die Kolbenringe müsste ich aufdrehen. Die Motorhalterung wird ein gelasertes Blech, genau so wie das Festlager der Spindel. Die "Deko" außen herum könnte vermutlich ebenfalls wieder ein dünneres Edelstahlblech werden, welches eventuell gekantet und nicht geschweißt wurde. Aber so weit bin ich noch nicht.
    Gerne würde ich die Zeichnung sehen :)

    Danke schon einmal für die Teilnahme

    Liebe Grüße
    Gerald
     
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  6. #6 Iskanda, 12.09.2019
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    Ich finde die Idee gut hatte mir auch mal sowas gedacht (im Kontext einer Dualboilermaschine). Mir erschien das aber zu kompliziert für meine Möglichkeiten.

    Die Sache hätte einige handfeste Vorteile.
     
  7. #7 Yggdrasil, 12.09.2019
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    Schau Dir einmal die Umsetzung bei der Gaggia Achille an.

    Gaggia Achille - einfach unterschätzt
     
  8. #8 Dale B. Cooper, 12.09.2019
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    Moin,

    hab ich so ähnlich gebaut, funktioniert. :D Schrittmotor / Servomotor, Spindel, etwas Aluzeug. Schrittmotoransteuerung und gleichzeitige Magnetventile sind übrigens aus EMV-Sicht ne ganz schwierige Kombination.. Die Endanschläge schmeißen gerne mal Fehler wenn ein Magnetventil betätigt wird. Schrittmotorsteuerung nervt auch nicht unerheblich. Wenn man das richtig bauen will, ist es nicht so ganz trivial.

    Hab zwei Arduinos (Schrittmotorsteuerung und einer für PID-Kessel) und einen Raspi (Logging und Kurven) im Betrieb.

    Wollte immer noch mal Bilder von meinem Aufbau posten..

    Beste Grüße,
    Dale.
     
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  9. #9 DaBougi, 12.09.2019
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    Müsste er ja nicht...aber ja, die Gesamtkonstruktion könnte da schon sehr ungewohnt anmuten.
    Andererseits auch rein ein kosmetisches Problem, das durch Verkleidung/Gehäuse ja nicht nur kaschiert, sondern sogar ins positive verkehrt werden könnte.
     
  10. #10 Methyltheobromin, 12.09.2019
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    Eigentlich müsstest du nur bei einer Mini Gaggia oben die Hebelmechanik durch deine Spindelkonstruktion ersetzen und du wärst am Ziel.
     
  11. #11 Sonic-Master, 12.09.2019
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    na dann mach mal :D
     
  12. #12 mechanist, 12.09.2019
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    Doch, das gab es mal:
    [Verkaufe] - “Hybride” Kaffeemaschine, Marke CMC Napoli

    Nachdem über die Jahrzehnte so fast alles ausprobiert wurde, von öl- über wasserhydraulischen Maschinen bis hin zu pneumatischen und dampfhydraulischen,
    wird es gute Gründe geben, warum es mit der Ausnahme oben keine Kolbenmaschinen mit dieser Technik gab.
     
  13. #13 DaBougi, 12.09.2019
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    ....nach der Logik dürfte es niemals Fortschritt geben (ob das gut oder schlecht wäre, darüber sollen andere diskutieren). Die besten bzw einflussreichsten Erfindungen begannen wohl kaum mit "das war immer so, also wirds da wohl nix besseres geben"

    Der Markt und vieles andere mögen letztendlich nicht gepasst haben, und wir machen hier ja erstmal nur Gedankenspiele...aber dem Forschergeist in mir wird ganz unwohl bei solcherlei Äusserungen ;-)
     
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  14. #14 mechanist, 12.09.2019
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    Vielleicht erstmal kundig machen, was es schon alles gab,
    sonst wird das Rad wieder neu erfunden...

    Und wie oben dargestellt, habe ich nicht argumentiert.
    Ansonsten frohes Forschen.
     
  15. Pflunz

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    So,
    ich habe mir noch ein paar weitere Gedanken gemacht. Und zwar dachte ich daran wie ich noch Dampf erzeugen kann. Zunächst dachte ich ja an einen selbstgebauten Thermoblock, mit wenig Masse, um die Temperatur während dem Bezug ändern zu können. Preislich ist die Selbstbaulösung aber so weit von fertigen Edelstahlblöcken entfernt, dass ich mich innerlich schon für einen gekauften Thermoblock entschieden habe.
    Doch wie dann die Temperatur während des Bezugs variieren? Und bis ich nach meinem Bezug den Thermoblock so weit aufgeheizt habe dass ich Dampf bekomme, dauert es auch.

    Die Lösung ist ein zweiter Kolben :D

    Die Möglichkeiten sind damit quasi unbeschränkt. Ich habe hier mal den Wasserweg nach den zwei Kolben aufgemalt. TB bedeutet Thermoblock, MV sind MagnetVentile, NO ist Normally Open, NC ist Normally Closed. "Gezeichnet" sind hier zwei Thermoblöcke, so dass der ursprüngliche Boiler nur noch als Wasserspeicher genutzt werden würde und somit komplett entfernt werden könnte. Hätte seinen Charm. Alternativ kann man das Wasser doch im Boiler erwärmen, und den Thermoblock TB2 weg lassen. Hierfür hätte man dann etwas mehr Dampfpower, da man ja bereits heißes Wasser durch den Thermoblock drücken würde, allerdings wird am meisten Energie durch das Verdampfen verbaucht (etwa 5-6 mal so viel Energie wie beim Erwärmen von 20°C auf 100°C), so dass der Unterschied vermutlich nicht ganz so stark bemerkbar ist.
    plan.png
    Die Möglichkeiten:
    • Nur TB2 (wenn vorhanden, ansonsten der Boiler) auf Espressotemperatur bringen. Man könnte so einen Flow- und Druck-Kontrollierten Espresso beziehen. Die Temperatur sollte durch eine Regelung recht stabil sein. Es kann außerdem heißes Wasser bezogen werden. Vor dem Bezug könnte auch etwas "Probewasser" in die Abtropfschale bezogen werden bis die Temperatur stabil ist, und dan erst durch die Brühgruppe den Espresso beziehen
    • Wie oben, nur wird TB1 erhitzt so dass man gleichzeitig Dampf beziehen kann, wie bei einem Dualboiler/Dualthermoblock
    • Der Flow-, Druck- und Temperaturgesteuerte Espresso. TB1 auf knapp 100°C erhitzen, TB2 auf 80°C erhitzen. Durch eine geregelte Kombination aus Druck von Kolben1 und Kolben2 zwei kann neben Flow und Druck auch noch die Temperatur nach einem Profil abgefahren werden. Der Brühkopf sollte hierfür aber thermisch recht gut abgekoppelt vom Wasser sein. Dampf geht dann zwar nicht, jedoch brauch vermutlich auch niemand einen temperaturgesteuerten Espresso im Cappuccino :)
    Außerdem habe ich über ein zusätzliches elektrisches Nadelventil gedacht. Bei einer einwandfrei regelbaren Kolbenpumpe? Ja, und zwar nicht vor dem Kaffeepulver sondern danach! Man bräuchte hier zwar eine andere Art von Siebträger (muss dann nach oben und nach unten abgedichtet werden), man hätte allerdings noch weitere Vorteile:
    • Mahlgradunabhängiger Espressobezug. Zumindest solange das Pulver nicht zu fein gemahlen ist. Man kann so den Widerstand regeln, um für jeden gewünschten Druck einen gewünschten Flow zu erreichen. Kaffeemenge zu grob? Einfach Nadelventil weiter schließen. Schon kann bei 9bar der Espresso bezogen werden.
    • Ein "simulierter" Vollautomatenschümli? Kein Problem! Einfach das Nadelventil auf die "Cremasieb"-Einstellung stellen (oder dahin regeln lassen, vermute um die 5bar)
    • Automatisches Rückspülen. Einfach etwas Puly Caff in den Siebträger, das Nadelventil schließt, automatisch mehrere Rückspülungen aktivieren, Nadelventil öffnen, nach unten durchspülen, und anschließend noch einmal mit Wasser automatisch rück- und nachspülen lassen
    Ob hier ein Nadelventil, Kugelventil oder was auch immer Ventil funktioniert ohne zu verstopfen und undicht zu werden weiß ich nicht. Aber mir gefällt die Idee irgendwie.

    Über Kommentare freue ich mich!

    Gerald
     
  16. Dale B. Cooper

    Dale B. Cooper Mitglied

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    Thermoblock ist für Dampf irgendwie nichts. Nimm doch nen normalen Kessel und bastel erstmal den Espressoteil. Meine Maschine kann auch immer noch keinen Dampf, auch wenn ich die Teile dafür eigentlich schon rumliegen habe.. :)
     
  17. Pflunz

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    Du wolltest übrigens noch Bilder posten :D
     
  18. #18 Dale B. Cooper, 17.09.2019 um 12:15 Uhr
    Zuletzt bearbeitet: 17.09.2019 um 12:27 Uhr
    Dale B. Cooper

    Dale B. Cooper Mitglied

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    Na dann,

    hier erstmal ein Shot mit dem Aufbau. 80ml/min - glaube ich - konsanter Durchfluss. In der aktuellen Version kann man zwei Flowraten vorgeben, eine für die PI und eine für den Bezug. Man sieht sehr schön den Druckanstieg und leichten Abfall zum Ende. Flow ist nicht aufgemalt, weil wirklich konstant. Weiterhin sieht man meine statistische Heizungspeaks, die sich am Bedarf orientieren. Das Absacken der Temperatur im DC-Kessel ist nicht wirklich "echt", weil halt kaltes Wasser auf den Sensor läuft. Ist eher ein Durchmischungsthema..
    Die Ansicht wird im Webserver der Maschine live generiert. Man kann durch die Shots scrollen oder das Geschehen live verfolgen. Achja, die Druck-Spikes ganz am Anfang liegen daran, dass ich vergessen hatte, ein Ventil zu öffnen. Druckaufbau gegen ein geschlossenes Ventil geht halt recht schnell. ;)

    Ich weiß nicht mehr genau, warum genau ich den Bezug gestoppt habe. War aber bodenloser doppelter Siebträger und ein Doppio. Möglicherweise doch mit höherer Rate bei der PI, das Gesamtvolumen kommt mir sonst etwas gering vor. Sorry.. meine SW zeichnet das leider nicht mit auf..

    Beste Grüße,
    Dale.
     
  19. Pflunz

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    Sehr schön!
    Über die Ansteuerung habe ich mir bis jetzt nur grobe Gedanken gemacht. Zum einen wäre ein Touchscreen wie bei der DE1 von Decent Expresso praktisch, zum anderen aber sieht das fürchterlich aus :D
    Ich vermute ich werde zwar Hebel für Druck, Flow und Temperatur sowie ein paar Tasten direkt an die Maschine anbringen. Zum Laden und Bearbeiten von Profilen wird das ganze dann über einen Webserver laufen. Dann kann man "im Notfall" immer noch ein Tablet drauf setzen. Als Mikrocontroller würde ich vermutlich so etwas wie den ESP32 nutzen. Das wäre dann auch mein erstes Privatprojekt mit einem Betriebssystem (damit arbeite ich sonst nur bei der Arbeit). Ich müsste dann noch nachrechnen, ob der genug Power hat, sollte aber vermutlich reichen.

    Liebe Grüße
    Gerald
     
  20. Dale B. Cooper

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    Mit Ansteuerung meinst Du vermutlich die GUI? Die Ansteuerung ist tatsächlich das einiges größere Problem..
     
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