Espressomaschine mit spindelgetriebenem Kolben?

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  1. Two

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    Tolles Projekt!
     
  2. Pflunz

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    Hallo,
    danke schon einmal und hier ein kleines Designupdate. Jetzt mit 98° Biegewinkel. Kostet ein paar Zentimeter in der Tiefe, doch gefällt mir optisch besser als die 90°
    neuesDesign.png
     
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  3. #43 Dale B. Cooper, 11.12.2019
    Dale B. Cooper

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    Sieht irgendwie hoch aus. So eine Maschine macht man sich eigentlich nicht für Latte macchiato.. oder täuscht das optisch?

    Beste Grüße,
    Dale.
     
  4. Pflunz

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    Morgen Dale,

    ja, ich weiß was du meinst. Sie ist zwar hoch, aber nur im Vergleich zur Breite. Also insgesamt eine recht schmale Maschine.
    Zum Vergleich hatte ich mir mal ein hochgenaues ( :D ) Modell meiner jetzigen PL92t gemacht, welche auch nicht wirklich groß ist für eine Dualboiler Maschine:
    nebeneinander1.PNG
    nebeneinander2.PNG

    Insgesamt ist sie also gar nicht so hoch (die Höhe kommt ja auch durch meine Vorgabe 120ml Wasser pro Zylinder zu haben. Da ich nur nahtlose Edelstahlrohre mit 50mm Außendurchmesser gefunden habe, wurden sie enstsprechend lang.
    Aber ich finde das gar nicht verkehrt, und es soll auch eine größere Tasse für Kaffee darunter passen.

    Liebe Grüße
    Gerald
     
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  5. #45 Dale B. Cooper, 11.12.2019
    Dale B. Cooper

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    Definitiv ganz schön klein. Super Vergleich!
     
  6. Pflunz

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    Ich habe mir mittlerweile ein paar Edelstahl Fittinge, Edelstahl Rückschlagventile sowie Edelstahl Magnetventile (über 300€ :eek: ) gekauft.
    Mangels günstiger 1/8" Rückschlagventile (außer chinesische, die geben aber den Druck nicht an, ansonsten habe ich nur welche bis 10 Bar gefunden) aus Edelstahl habe ich 5 Stück mit 1/2" gekauft. Habe die Größe etwas unterschätzt :rolleyes:
    Anbei mal ein paar Fittinge und zwei Ventile aneinander geschraubt, und zur Veranschaulichung vereinfacht auf das Modell gesetzt. Musste wegen der Länge die Brühgruppe weiter nach unten setzen, da sonst das Rückschlagventil mit dem Thermoblock kollidiert. Finde ich aber nicht so schlimm, da ich vermutlich vorne sowieso ein Display aufsetze (also vor die Thermoblöcke) und so mehr Platz wäre.

    Liebe Grüße
    Gerald
    MitVentile.jpg Ventile.jpg
     
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  7. #47 Pflunz, 31.12.2019
    Zuletzt bearbeitet: 31.12.2019
    Pflunz

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    So, ein paar weitere Gedanken. Sie ist jetzt mehr oder weniger für mich zu Ende gedacht.
    Ich muss mir noch über die Länge des Dampfrohrs Gedanken machen sowie die Befestigung, da ich ja kein Handventil verbaue (bei denen ist immer ein Anschlag für die Feder vorgesehen, mit der das Dampfrohr in Position gehalten wird) sondern ein Magnetventil. Irgendwie muss ich also auch solch einen Anschlag hinbekommen.

    Ansonsten habe ich nun bei der Elektronik angefangen zu denken und auch schon angefangen den Schaltplan zu machen. Ich habe mich nun als Lösung für ein dauerhaft angebrachtes Display entschieden. Deshalb werde ich alle Knöpfe bis auf den An/Ausschalter entfernen. Da die Anzeige dann kein Tablet oder ähnliches wird, habe ich mich doch wie von @Dale B. Cooper vorgeschlagen für einen Raspberry anstatt eines ESP32 entschieden. Das Raspberry 7" Touchdisplay hat auch eine gute Größe und wird nativ vom Raspberry unterstützt. Die Ansteuerung kann man dann auch super einfach mit Python machen.
    Eventuell bekomme ich auch die Oberfläche von Decent Espresso ans Laufen (laufen tut sie, habe ich getestet, muss nur schauen wie die Schnittstelle nach außen ist. Da das aber alles TCL-Scripts sind vermute ich stark dass das Laufen wird). Das coole ist dass die Decent Espresso Firmware praktisch die gleichen Ansteuerungen bietet wie meine Maschine (Temperatur, Flow- und/oder Druckkontrolle). Dort sind auch schon mehrere Profile von diversen Maschinen (auch Handhebel) gespeichert.
    Die Regelung selber wird dann auf dem STM32 laufen. Hier werden die Schrittmotoren gesteuert, sowie die Temperaturen der Thermoblöcke und des Dampfboilers. Auch die zehn(!) analogen Spannungen (2x Thermoblock PT1000, 1x Brühgruppe PT1000, 1x Dampfkesseltemperatur PT1000, 1x Füllstand Dampfkessel (durch Differenzdruckmesser), 1x Absolutdruck Dampfkessel, 1x Brühdruck, 2x Brühwassertemperatur Thermoelement (einmal in der Brühgruppe über dem Duschsieb und einmal nach dem 3-Wege Ventil von der Brühgruppe, mit der die Wassertemperatur eingestellt werden kann bevor man das Ventil zur Brühgruppe öffnet)) werden hier ausgelesen.
    Der aufmerksame Zähler hat bemerkt dass ich nur neun Sensoren aufgezählt habe. Ein PT1000 wird parallel zum Dampfrohr verlegt, um automatisch bei der korrekten Temperatur mit dem Schäumen aufzuhören.
    Der Raspberry kann einfach über SPI vom STM32 alle Werte abfragen und beim Bezug auch vorgeben. So macht die nicht-Echtzeitfähigkeit des Raspberrys nichts. Über UART können außerdem Befehle an den STM32 gesendet werden (Dampfventi öffnen, Bezug starten, Zylinder aufziehen etc...) sowie Statusmeldungen vom STM32 an den Raspberry (Fehler etc.).
    Für den Standby kann der STM32 den Raspberry auch herunterfahren un von der Spannung trennen.
    Die Elektronik wird hinten angebracht (Netzteile, SSR und Platinen)

    Ich vermute auch dass man dann auch einen Filterkaffee zubereiten kann, indem man den Filterhalter mit Kanne direkt unter die Dusche stellt und abwechselnd mit den beiden Kolben Wasser langsam aus der Dusche in den Filter tropfen lässt.

    Selbstverständlich wird auch ein Sternesystem eingefügt, mit dem man nach dem Bezug den Espresso bewerten kann. Durch alle aufgezeichneten Daten wird dann eine KI trainiert um automatisch aus dem gegebenen Mahlgut einen guten Espresso zu Zaubern (Zukunftsplan).

    Ich hoffe außerdem das HTCPC-Protokoll vom 1. April 1998 unterstützen zu können :D

    Hier einmal ein Bild der verkleideten Maschine von vorne, und einmal ohne das Seitenteil (was auch die Elektronik abdeckt) von hinten, mit dem Raspberry als Platzhalter für die Elektronik).
    Wenn die Elektronik fertig geplant ist müssne noch Montagelöcher und Durchgänge geplant werden, dann kann ich anfangen alles lasern zu lassen.

    vorn.png
    hinten.png

    Liebe Grüße und guten Rutsch
    Gerald
     
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  8. #48 Dale B. Cooper, 01.01.2020
    Dale B. Cooper

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    Bin gespannt auf die STM32-Entwicklung. Mit OS oder ohne? Ich war für das Thema echt faul und hab 2 mal Arduino genommen. Einer kümmert sich explizit nur um den Schrittmotor und einer tut alles andere. Es klingt echt scheiße, wenn der Schrittmotor einen Takt verliert, weil er nebenbei die Temperatur regeln muss..

    TCL ist ja sowas von pain. Ich hatte sowas auch zuerst erwogen, dann aber doch ein webinterface vom Raspi aus gebaut. Erscheint mir deutlich einfacher, kann man halt dann auch vom Handy aus bedienen oder je nach Implementierung wenigstens die Graphen verfolgen. Ist aber auch die Frage, worauf man Bock hat. Mit Python ne Oberfläche zu basteln, ist auf jeden Fall nichts, was ich anpeilen würde, wenn es nicht unbedingt sein müsste.

    Hinten alle möglichen Netzteile rein, könnte eng werden. Die Stepper-Controller + NT sind ja nicht so wirklich klein. Du brauchst davon ja auch noch 2..

    Wirklich spannend bei Dir! Beste Grüße,
    Dale.
     
  9. #49 furkist, 01.01.2020
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    Erst mal alle Achtung ! Tolles Projekt.

    Der Gedanke von Dale B. ist nicht ganz von der Hand zu weisen. Da die Maschine ja eh recht "klein" ist - momentan -, würde ich es auch in Erwägung ziehen, sie etwas grösser zu planen. Muß ja nicht überall gleichmässig "gezoomt" werden ... und sie bleibt dann dennoch kompakt.
     
  10. #50 Dale B. Cooper, 01.01.2020
    Dale B. Cooper

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    Oder man baut hinten einfach etwas tiefer an. So in der Art ist das vermutlich auch geplant..?
     
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  11. Pflunz

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    Hallo zusammen,

    danke schon einmal für die Rückmeldung.

    Bei dem STM32 tendiere ich immer mehr dazu das alles ohne Betriebssystem zu machen. Die beiden Schrittmotoren werden direkt über Timer-Interrupts angesteuert, so ist alles unabhängig von der restlichen CPU.
    Insgesamt muss man eigentlich nur
    • die beiden Thermoblöcke und den Dampfboiler über PID ansteuern (einfach, allerdings auch beachten dass immer nur eine Heizung an sein soll damit in der Küche nicht gleich die Sicherung fliegt wenn man noch den Mixer anschaltet)
    • die 5 Ventile gemäß Befehl vom Raspberry schalten (super einfach)
    • SPI Kommunikation zum Raspberry implementieren (meist nervig und etwas Debugzeit nötig, aber vom Prinzip her einfach)
    • die beiden Schrittmotoren über zwei Timer ansteuern (mit einfacher linearer Beschleunigung). Auch ähnlich wie SPI-Kommunikation (etwas nervig, aber nicht schwierig). Interessant wird die Temperaturregelung über die beiden Schrittmotoren wegen der "großen" Totzeit (durch die etwa 1ml Volumen zwischen Mischer und Temperatursensor). Und auch wo die Intelligenz hierfür hingesteckt wird. Zum einen muss es natürlich der Regler wissen, zum anderen auch der Raspberry, da ja eigentlich nur dieser den gewünschten Temperaturverlauf kennt. Der Raspi muss dann ja bereits 1-2 Sekunden vor der gewünschten Temperaturänderung (natürlich abhängig von dem Durchfluss, aber wenigstens ist ja der gesamte gewünschte Temperaturverlauf bekannt) die gewünschte Änderung an den STM32 weitergeben, der dann die Temperatur mit einer recht hohen Totzeit regeln muss.
    • ADC Werte einlesen und umrechnen
    Die Ansteuerung von Decent Espresso habe ich heute mal etwas auf dem raspberry laufen lassen. Das interessante wäre halt dass man hier die GUI komplett übernehmen kann. Allerdings ist mir TCL ziemlich unsympathisch :/
    Aber sind auch Detailfragen. Zum Beginn wird mir ein Python Skript mit den Vorgaben für den Shot und eben ein Plot der Temperatur, des Drucks und des Flows reichen. Geht eben super schnell. Schöner geht eigentlich immer. Webserver ist vermutlich auch der Weg (vielleicht teilt @Dale B. Cooper ja auch etwas von seinem Code :) ) den ich dann anvisieren würde, aber erst wenn der Rest funktioniert.

    Die Maschine ist im Moment etwa 250mm breit, und ich denke das wird auch reichen. Die Länge ist ja quasi durch die Rüsckschlagventile vorgegeben, und die Höhe durch die Länge der Zylinder.

    Platz für die Elektronik sollte hinten drin genug sein. Ich habe hier einmal die direkte draufsicht ohne die Verkleidung und einmal etwas schräg mit teiltransparenter Verkleidung.
    Insgesamt versuche ich die Platine auf etwa 100mm x 100mm zu halten. Neben dem STM32 kommen noch zwei Stück TMC2660 Schrittmotortreiber drauf, sowie zwei AD8495 Verstärker für die beiden Typ K Thermoelemente. Der meiste Platz wird vermutlich durch die ganzen Schraubklemmen gebraucht (Habe mal überschlagen und bin bei etwa 70 Terminal Anschlüssen gelandet).

    Die Elektronik ist abgebildet komplett (
    • 24V ~80W Netzteil (maximal 3 Ventile mit je 14W an, sowie beide Motoren mit je 10W (3V und 3A max), 10W Raspberry + Display und etwas Puffer)
    • Raspberry
    • 3 Stepdown Wandler für 12V, 5V und 3V
    • 3x SSR
    • Kaltgerätestecker mit Filter und Sicherung
    ), bis auf meine Platine die ich noch plane:
    hinte.png

    transparent.PNG

    Liebe Grüße
    Gerald
     
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  12. #52 Dale B. Cooper, 02.01.2020
    Dale B. Cooper

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    Aloha,

    spannend.. :) Über meine Code-Lösung bin ich so gar nicht fröhlich, ich war lazy und hab tatsächlich ein recht fertiges Python-Modul genommen. Weil ich mich damals noch arg wenig mit Python Web-Interfaces auskannte. Hier der link zu plotly: Modern Analytic Apps for the Enterprise
    Das würde ich inzwischen komplett anders machen. Plotly zu bearbeiten, bringt keinen Spaß. Hab da ein paar Knöpfe und ne Datenbank für die Heizkurven rangeklemmt. Bei mir ist der Pi auch nicht in letzter Instanz Master. Die Aufgabenteilung ist da etwas krude, die Arduinos steuern die kleinen Status-Oled-Displays an und der Raspi macht nur das Webinterface für Temperatur und Druck und Heizzyklen. Ich weiß, ist etwas komisch. :) ist auch nur als Prototyp zum Testen eines solchen Pumpensetups gewesen. Und das Webinterface ist nur reingekommen, weil die PID-Steuerung von so ner DC-Gruppe echt lästig ist..

    Das Timer-Konzept an dem STM macht Sinn. Kann man probieren... Mir wäre das zu bastelig. Außerdem traue ich den Timern auch eher bedingt. Aus meinen Erfahrungen mit dem Arduino, wo ich das auch probiert hatte.

    Wenn Du wie ich faul bist, kannst du auch einfach nen Arduino mit GRBL nehmen. Den musst du dann nur mit dem Raspi über g-code ansteuern. So hab ich das gemacht... funktionier 1a, der Arduino mit grbl macht nie Aussetzer.. Vermutlich hab ich damit dann immerhin die erste g-code gesteuerte Espressopumpe gebaut. :D

    Ganz schön kleine Schrittmotoren.. und ganz schön kleine Netzteile. Das ist bei mir alles erheblich dicker.
    Was für ne Spindelsteigung / Zylinderfläche / Druck hast Du denn max. angenommen?
    Bei mir prügelt er den kompletten Zylinder voll mit >20bar durchs Überdruckventil, ohne mit der Wimper zu zucken. Der Flow bleibt wie eingestellt konstant. Hab kurz mit CNC-Leuten über max. Kräfte an so ner Kugelumlaufspindel gesprochen, das ist auf jeden Fall recht problemlos. Meine Pumpe sieht aber auf den ersten Blick auch eher aus wie die Z-Achse einer CNC-Fräse.. :D

    Beste Grüße,
    Dale.
     
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  13. Pflunz

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    Hey,

    das sind Nema23 Motoren. Die fangen normal ab 1Nm an.
    Spindel wird eine kleine mit 12mm Durchmesser mit 4mm Steigung. Größer geht nicht weil die Mutter sonst nicht in die 44mm Zylinder passt.
    Übersetzt ist das alles 1:2.5
    Habe alles für >16bar ausgelegt. Wirkungsgrad der Spindel so wie des Riemenantriebs habe ich auf je 80% geschätzt. Damit ergibt sich:
    A=Pi*r^2 = 0,0015m2
    F= 2 * Pi * M / s = 2 * Pi * 1Nm / 0,004 = 1570N
    Ergibt übersetzt 3900N, mit dem Wirkungsgrad von 64% ergibt sich 2500N.
    Das liegt übrigens schon am oberen Bereich der Spezifikation für die Spindel und Mutter.
    Druck lässt sich so maximal 2500/0,0015= 17 bar aufbauen (worst Case). Im Notfall ist auch beispielsweise eine 1:3 Übersetzung möglich.

    Liebe Grüße
    Gerald
     
  14. #54 Dale B. Cooper, 02.01.2020
    Dale B. Cooper

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    Ach stimmt, du verwendest ja Zahnräder - da geht ja noch ne Untersetzung und sowas. Ok. :) Das ist bei mir weggefallen.
    Bei mir hängt das alles direkt angetrieben dran - glaub, weil ich für meine Spindel keine passenden Zahnräder gefunden hatte und mir war nicht so danach, an der Spindel herumzufräsen. Hab in Summe aber ähnlich abgeschätzt. Aber nur 28mm Durchmesser vom Stempel. Ich traue meinen verwendeten China-Komponenten (Schrittmotor und Controller, sowie die Spindel) nur begrenzt über den Weg. Daher deutlich mehr überausgelegt. 80% Wirkungsgrad ist aber glaube ich realistisch. War mir bei meinen Recherchen auch begegnet.
    Hier mal ein Foto meines Testaufbaus. Ist glaube ich recht selbsterklärend.
    Zur Entschuldigung, das ganze Ding hatte vor allem (eigentlich ausschließlich) den Zweck, das Konzept zu zeigen. Ich hab das ganze Design ein mal komplett verworfen und neu gemacht...

    vielleicht kurz zur Erklärung der Anschlüsse: ganz links Druckmesser (mit üblem Gewinde), Zulauf in der Mitte und rechts gehts raus (MV und dann zur BG), einstellbares OPV dazwischen. Das ganze Ding läuft im Kaltwasserbereich. Und hat genügend Hub für ne Tasse Kaffee.. :)
    Die Elektrik liegt größtenteils darunter (also Meanwell Netzteil, Steppercontroller, Arduino mit grbl, den Raspi rechts sieht man ja...), die beiden Arduinos hängen mit USB dran.




    Beste Grüße,
    Dale.
     
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  15. Pflunz

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    Hey Dale,

    womit hast du eigentlich deine Fittinge abgedichtet? Hast du sie geklebt oder mit Teflon umwickelt?

    Ich war in der Zwischenzeit natürlich auch fleißig und habe den Schaltplan zusammengeklickt. Muss ihn noch überprüfen und dann die Platine routen. Dann kann ich die Maschine fertig planen :)
     

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  16. Dale B. Cooper

    Dale B. Cooper Mitglied

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    Moin,

    Hab mit Teflon angefangen. Das hat teils aber so genervt, dass ich auf Flüssigdichtung umgestiegen bin.. danach nie wieder ein Problem gehabt wegen der Dichtigkeit.

    Hut ab mit den Schaltplänen. Das hätte meinen Wohlfühl-Kompetenzbereich deutlich überschritten. :) Respekt.

    Beste Grüße,
    Dale.
     
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