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. 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. DaBougi

    DaBougi Mitglied

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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. Kaffeeviertel

    Kaffeeviertel Mitglied

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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
     
  5. Pflunz

    Pflunz Mitglied

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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. Iskanda

    Iskanda Mitglied

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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. Yggdrasil

    Yggdrasil Mitglied

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    Schau Dir einmal die Umsetzung bei der Gaggia Achille an.

    Gaggia Achille - einfach unterschätzt
     
  8. Dale B. Cooper

    Dale B. Cooper Mitglied

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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. DaBougi

    DaBougi Mitglied

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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 um 18:05 Uhr
    Methyltheobromin

    Methyltheobromin Mitglied

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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. Sonic-Master

    Sonic-Master Mitglied

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    na dann mach mal :D
     
  12. mechanist

    mechanist Mitglied

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    Doch, das gab es mal:
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    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. DaBougi

    DaBougi Mitglied

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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. mechanist

    mechanist Mitglied

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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.
     
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Espressomaschine mit spindelgetriebenem Kolben?

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