Physik der Espressomaschine - Metallische Werkstoffe
Physik der Espressomaschine - Metallische Werkstoffe
Kupfer, Messing, Stahl, Plastik und Glas - Werkstoffe für die Espressomaschine
Teil 1 - metallische Werkstoffe
Schaut man sich eine Espressomaschine an oder gar in sie hinein, dann besteht sie aus unzähligen einzelnen Bauteilen, die aus gefühlt ebenso vielen unterschiedlichen Materialen hergestellt werden. Da kommt man schon ins Grübeln ob das alles dem Geschmack förderlich oder gar für die Gesundheit schädlich ist.
Kupfer - Werkstoff des klassischen italienischen Boilers
Kupfer ist ein weiches Schwermetall und wird in hohem Reinheitsgrad in Kupferminen direkt aus der Erde gewonnen. Es ist extrem gut elektrisch leitfähig und es ist schwerer als Stahl. Es lässt sich sehr gut biegen und anderweitig verformen, ist aber weniger gut geeignet für Schraubverbindungen und Bauteile welche durch drehen, bohren oder fräsen mechanisch hergestellt werden. Dazu ist Kupfer zu weich.
Wasser löst Kupfer aus der Leitung bzw. dem Boiler heraus. Wieviel Kupfer herausgelöst wird, hängt davon ab, ob das Wasser eher „sauer“ oder „alkalisch“ (seifig) ist. Ermittelt wird dies über den pH-Wert. Als Grenzwert dazu hat der Gesetzgeber einen pH-Wert von 7 festgelegt, dies ist die Grenze zwischen „sauer“ und „alkalisch“. Alkalische bzw. „seifige“ Wasser lösen mehr Kupfer aus als saures Wasser. Zum Beispiel ist das „gute“ Trinkwasser der Stadtwerke München mit einen mittleren pH-Wert von 7,6 nicht für Wasserbehälter aus Kupfer geeignet. Auch viele natürliche Mineralwasser weisen einen pH-Wert bei etwas über 7 auf.
Kupfer ist ein sehr guter Wärmeleiter. Was dazu führt, dass alles, was über Kupferleitungen miteinander verbunden ist, sehr schnell auf die Boilertemperatur aufgeheizt ist. Dabei geht natürlich auch viel Wärme in die Umwelt und damit für die Nutzung in der Espressomaschine verloren.
Da sich Kupfer gut biegen lässt, werden Kupferrohre gerne als Wasserleitungen in Espressomaschinen eingesetzt und der italienische Espressomaschinenklassiker besitzt natürlich einen Kupferboiler.
Messing - Werkstoff der Kleinteile
Im Gegensatz zu Kupfer ist Messing ein hartes Metall. Es lässt sich gut bohren, fräsen, abdrehen jedoch weniger gut biegen. Daher findet man Messing gängig in jenen Bauteilen der Espressomaschine welche durch Verschraubung verbunden werden. Klassiker ist hier das Magnetventil aber auch die mechanisch gefertigte Brühgruppe oder der Siebträger. Wobei bei den letzteren beiden noch eine Schicht verzierendes und aufpoliertes Chrom hinzukommt. Die Wärmeleitung und Wärmespeicherung von Messing ist ähnlich gut wie bei Kupfer.
Das üblich verwendete Messing besteht aus 58 % Kupfer, 40 % Zink und 2 % Blei. Messing ohne Bleianteil kann so gut wie gar nicht mechanisch bearbeitet werden. Genau hier liegt die Problematik von Messing. Messing ist erheblich härter als Kupfer, ohne Blei jedoch für die mechanische Bearbeitung zu hart. Anstelle von Spänen entstehen dann kleine scharfkantige Splitter, die eine mechanische Bearbeitung unmöglich machen.
Auch bei Messing wäscht Wasser die Bestandteile des Werkstoffes aus, also auch das darin enthaltene Blei. Nun gehören jedoch Blei, Cadmium und Quecksilber ganz und gar nicht in unsere Nahrungs- und Genussmittel.
Stahl - der hochwertigste Werkstoff
Stahl entsteht aus der Veredelung von Eisen und kann in vielen Eigenschaften so verändert werden, wie es für den jeweiligen Anwendungsfall erforderlich ist. In der Espressomaschine bedeutet dies, dass Stahl rostfrei sein muss und keine allergischen Reaktionen auslösen darf. Edelstahl, auch als Chirurgenstahl bezeichnet, erfüllt dies. Er ist nicht nur lebensmittelverträglich, viele Edelstahlsorten sind auch klinisch getestet.
Allerdings ist Edelstahl sehr schwer zu verarbeiten und erst die modernen Fertigungsmöglichkeiten haben in den letzten 10 Jahren zu einer vermehrten Nutzung dieses Werkstoffs geführt. Edelstahl zählt zu den zähen Werkstoffen, was eine Bearbeitung durch bohren, drehen und fräsen erschwert. Die mechanische Bearbeitung dauert länger als bei Messing, verschleisst die Bearbeitungswerkzeuge mehr und führt damit zu höheren Bearbeitungskosten. Da Edelstahl zähe Eigenschaften aufweist, ist es für Biegeteile wie z. B. für die Rohre in der Espressomaschine geeignet. Allerdings sind auch hierbei die Produktionskosten aufgrund der hohen erforderlichen Biegekräfte und speziellen Biegewerkzeuge sehr hoch. Rohrleitungen aus Edelstahl sind daher in den Espressomaschinen noch exotische Einzelvorkommnisse. Lediglich gebogene und teilweise hochglanzpolierte Edelstahlbleche haben sich inzwischen in der Espressomaschine als Bauteil durchgesetzt.
Immer mehr Espressomaschinen werden mit Edelstahlboiler ausgestattet. Hintergrund dazu ist die Modernisierung vieler metallverarbeitender Zulieferbetriebe. Beim Zuschneiden von Stahl wird immer mehr auf Automatisierung und dabei auf Wasser- oder Laserstrahl gesetzt. Vieles was zuvor gesägt oder mit der Bohrmaschine gebohrt wurde, wird in moderner Fertigung durch einen Strahl aus Wasser oder Licht geschnitten. Das lässt sich erheblich leichter automatisieren und führt zu einer besseren Ausnutzung der Rohmaterialien. Insbesondere mit dem Wasserstrahl lassen sich Edelstahlbauteile mit einer Maßgenauigkeit von wenigen hundertstel Millimeter herstellen, was die Bohrmaschine vollkommen überflüssig macht.
Auch beim Schweißen kommt immer mehr der Laserstrahl zum Einsatz. Lediglich Gewinde müssen noch wie bisher eingeschnitten werden.
Ein weiterer Bereich, in dem Edelstahl immer häufiger zum Einsatz kommt, sind kleinere Feingussteile wie zum Beispiel die wasserführenden Teile der Magnetventile. Anstelle mechanisch nachgearbeiteter Gussbauteile aus Messing kommen immer mehr aus Edelstahl gegossene Magnetventile auf den Markt. Selbst bei Rotationspumpen gibt es Austauschvarianten zu den bisherigen Varianten aus Messing.
Die Automatisierung, welche hier mit der Digitalisierung einher geht, führt zu mehr Flexibilität in der Fertigung welches zu Kostensenkungen auch bei kleinen Fertigungsmengen führt. Dies macht den Werkstoff Edelstahl zu einem wettbewerbsfähigen Werkstoff in der Espressomaschine, der insbesondere dann zum Einsatz kommen kann, wenn bleihaltige Werkstoffe ersetzt werden sollen.
Bezüglich Wärmeleitung und Wärmespeicherung ist Stahl nicht so gut wie Kupfer. Es erfolgt aber auch eine erhebliche Wärmeleitung, so dass auch hier Wärmeableitung in die Umgebung erfolgt.
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