Glasboilermaschine
Die Glasboilermaschine - MMM Style
Projektstatus
Durch eine Idee auf World of Coffee 2018 in Amsterdam (WOC18) wurde 2018 damit begonnen zu forschen, ob Borosilikat-Glas als Material für den Wasserboiler einer Siebträger-Espressomaschine verwendet werden kann.
Durch die spezifischen Material-Eigenschaften wie Hitzebeständigkeit, Geschmacksneutralität und den guten Isolationseigenschaften, die Borosilikat-Glas in doppelwandiger Ausführung mit sich bringt, erschien es als Fertigungsmaterial für den Boiler besonders geeignet zu sein. Trotzdem ist die Verwendung dieses Materials in der Industrie bei den etablierten Herstellen bis jetzt gänzlich unbekannt. Boiler handelsüblicher Maschinen werden meist aus Stahl gefertigt und sind im Gehäuse der jeweiligen Maschine versteckt.
Bei einem Boiler aus Borosilikat-Glas kann der Nutzer, sofern die freie Einsehbarkeit des Boilers gewährleistet ist, den Erhitzungsvorgang des Wassers von Anfang bis Ende miterleben. Das Sprudeln des Wassers während des Betriebs des Boilers sehen zu können ist eine absolute Neuheit, die in Kombination mit der Ästhetik und den Materialeigenschaften des Borosilikat-Glases seinesgleichen sucht.
Erste Versuche mit einem behelfsmäßigen Versuchsaufbau zeigten, dass Borosilikat-Glas in der Realität tatsächlich als Material für den Boiler geeignet ist und mehrere Vorteile gegenüber dem herkömmlichen Stahl mit sich bringt.
Daraufhin wurde beschlossen, das Konzept des Borosilikat-Glasboilers weiterzuverfolgen und ein Entwicklungsprojekt für eine eigene Siebträger-Espressomaschine zu starten, die mithilfe studentischer Projekt- und Abschlussarbeiten an der Fakultät 03 der Hochschule München konzipiert werden soll.
Mit dem Versuchsaufbau des ersten Borosilikatboilers wurden erste Befeuerungen des Boilers vorgenommen. Für den Versuchsaufbau waren einige Änderungen an der Konstruktion des Borosilikatboilers erforderlich. Es wurde insbesondere auf die Verspannung durch Verschraubung verzichtet. Stattdessen wurde ein Federmechanismus eingeführt, der den Boilerdruck aufnimmt und für ausreichend Druck auf dem Dichtungssystem sorgt.
Als problematisch habe sich die vielen Durchführungen dargestellt.
Da das Glas nicht direkt auf einer metallischen Oberfläche verspannt werden darf, ist eine PTFE-Einlage definiert worden. Dies stellt im Deckel kein Problem dar. Da dort keine weiteren Durchführungen vom Boilerinneren in das Boileräußere erforderlich sind. Im Boden stellt sich die flächendeckende PTFE-Einlage als problematisch dar. Für jedes Bauteil, welches durch den Boilerboden durchgeführt wird, musste eine Dichthülse konstruiert werden. Dies führt zu Dichtheitsproblemen und mehrt die Produktionskosten.
Bestätigt wurde die Vorgehensweise für die Versuchsaufbauten der labortechnischen Espressomaschine ein Steuerungskonzept auf Basis eines Raspberry Pi zu verwenden. Erweitert mit GPIO-Expandershield, AD-Wandler-Shield und einer Softwarekombination aus Python-Skripten und MATLAB®-GUI lassen sich die Mess-, Steuerungs- und Regelungsaufgaben praxisorientiert und relativ zügig programmieren.
Erste Tests der SSR-Insel konnten ebenso durchgeführt werden. Hier konnte das Grundkonzept bestätigt werden. Es sind jedoch noch Verbesserungen im Schaltungsdesign erforderlich. Eine Vibrationspumpe kann mit dieser SSR-Schaltung nicht angesteuert werden.
Auf Basis der bis 2021 durchgeführten Grundlagenuntersuchungen wurde das Konzept der 1 (und 2) - Zylinder - Glasboilermaschine definiert.
In [23] wurde eine Borosilikatglas-Espressomaschine konstruiert bei lediglich der Boiler und der Brühturm sich sichtbar oberhalb der Arbeitsplatte befinden. Boiler und Brühturm können nahezu beliebig zueinander positioniert werden. Alle anderen benötigten Baugruppen befinden sich unterhalb der Arbeitsplatte im nicht direkt sichtbaren Bereich. Dieses Konzept wurde nochmals überarbeitet und es kam zu dem nun auf diesen Seiten präsentierten Design.
Um ein optisch ansprechendes Design für eine neue Generation der Espressomaschinen zu ermöglichen, wurde bereits im Zuge [17] Maschine mit einem Boiler aus Borosilikatglas entworfen. Hierbei besteht der Boiler aus zwei Borosilikatglaszylindern, die den Erwärmungsprozess des Wassers im Boiler für den Anwender sichtbar machen. Bei der Erwärmung des Wassers im Boiler wird kein starker Innendruck aufgebaut. Diese Druckkraft wird durch eine Verspannung zwischen Boiler und Boilerdeckel aufgenommen, wobei zu beachten ist, dass dieser Verspannmechanismus ebenfalls eine Längenänderung aufgrund von Erwärmung zu erfassen hat. In der vorangegangenen Arbeit wurde hierfür eine Stabverspannung zwischen den beiden Borosilikatglaszylindern vorgesehen. Da diese jedoch die Sicht auf das Innere des Boilers einschränkt und gleichzeitig das optisch einwandfreie Gesamtbild für den Anwender stört, soll dieser Verspannmechanismus neu entworfen werden.
Des Weiteren ist, für eine optisch ansprechende Aufteilung der wesentlichen Komponenten, eine Undertable-Konstruktion der Maschine zu entwickeln. Hierbei sollen lediglich der Borosilikatglasboiler sowie der Brühturm mit den wichtigsten Bedienelementen für den Anwender erkennbar sein. Alle weiteren Komponenten, z.B. die Kabelführung oder die Wasserzuführung und -ableitung, sollen unter der Arbeitsplatte angebracht sein, um den Blick nicht durch nebensächliche Komponenten abzulenken. Zur Optimierung des visuellen Gesamtbildes sollen der Brühturm und die darauf befindlichen Bedienelemente angepasst werden. Es mussten sowohl die Kabel- und Leitungsführungen neugestaltet werden, als auch die dafür notwendigen Elemente zur Befestigung und Platzierung angepasst werden.
Durch eine Kostenreduktion von Boilerdeckel und -boden werden für den Endverbraucher die Anschaffungskosten der Espressomaschine gesenkt, wodurch das Produkt für den Kunden attraktiver wird.
Einsatz von FDM 3D-Druck für alle Kunststoffteile der Maschine
Durch den Einsatz von FDM 3D-Druck in Verbindung mit einem FDA-Zertifizierten Biopolymer als Druckwerkstoff wird die Verwendung von PFAS Kunststoffen erheblich reduziert. Aktuell zählen lediglich die verwendeten PFA-Rohre (eine Weiterentwicklung von PTFE) für die Wasserführung zu den PFAS-Kunststoffen. Da für die Serienfertigung von einer Kleinserie ausgegangen wird, ergibt sich durch den Einsatz des FDM 3D-Drucks eine Reduktion der Fertigungskosten zwischen Faktor 3 und 10. Probleme des 3D-Drucks sind jedoch die Maßhaltigkeit und die Oberflächenqualität.
Kerneigenschaften und Gleichheit zwischen den unterschiedlichen Maschinentypen
Auch die Glasboiler-Siebträger-Espressomaschine basiert auf der Grundanforderung, dass die Parametrierung des Kaffeebezugs (auch Kaffeerezept genannt) von Kaffeebezug zu Kaffeebezug ohne Wartezeiten verändert werden kann. Dies erfordert die Möglichkeit die Temperatur des Kaffeebezugswassers kurzfristig ändern zu können und schließt Elemete in der Wasserführung mit hohen Wärmekapazitäten aus. Gelöst wird diese Problematik durch zwei Maßnahmen:
Verwendung von Werkstoffen niedriger Wärmeleitfähigkeit und niedriger Wärmekapazität in allen Bauteilen welche für die Heißwasserführung benötigt werden Herstellung der Bezugswassertemperatur über einen Wassermischer, welcher dem heißen Wasser aus dem Boiler kaltes Wasserbeimischt
Dabei wird erheblich Regelungstechnik eingesetzt.
Grundlegend handelt es sich auch bei der Glasboilermaschine um eine Siebträger-Espressomaschine nach dem Grundprinzip des Zweikreisers. Dabei wird in einem Boiler dessen Temperatur so geregelt wird, dass ein definierter Dampfdruck mit Sollwert p = 1300 mbar in einem Bereich zwischen p = 1100 mbar und p = 1500 mbar frei eingestellt werden kann. Der im Boiler befindliche Wärmetasucher (Wasserwendel) ist so ausgelegt, dass im ungünstigsten Fall das direkte Bezugswasser mit mindestens 100 °C bezogen wird. Über ein Dosierventil wird dem direkten Bezugswasser kaltes Wasser beigemischt und es ergibt sich Kaffeebezugswasser bzw. Teewasser im Temperaturbereich zwischen T = 84 °C und T = 98 °C. Der Temperaturabfall zwischen Mischstelle und Brühgruppe wird in der Regelungstechnik mit berücksichtigt. Mischer, Wasserwendel und zugehörige Sensorik sind Gleichteile in allen Maschinentypen.
Entscheidend für den Kaffeebezug einer Siebträger-Espressomaschine ist die Brühgruppe. Üblich wird diese schwergewichtig aus Messing mit den Eigenschaften hoher Wärmekapazität und hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellt. Die bekannteste Brühgruppe dieser Bauart ist die sogenannte E61-Brühgruppe. Diese wurde 1961 erstmalig in der Faema E61 verbaut und seitdem in einigen Details verändert. Sie ist jedoch im Wesentlichen unverändert geblieben. Diese Brühgruppe verfügt über eine Düse für die Durchflussreduktion und eine Wasserkammer, was dazu führt, dass der Druckaufbau und damit der Kaffeebezug ein wenig Zeitverzögert abläuft. Dieser als Preinfusion bezeichnete Vorgang wird bei anderen Brühgruppentypen durch andere technische Lösungen bzw. durch Regelungstechnik realisiert. Nachteil aller Brühgruppen aus dem Werkstoff Messing ist, dass vorgewärmtes Bezugswasser immer die Kerntemperatur der Brühgruppe annehmen wird. Damit ist eine kurzfristige Änderung der Wasserbezugstemperatur nicht möglich. Ein weiterer Nachteil dieser Bauart ergibt sich durch die freiliegenden Oberflächen der Messingbauteile. Diese wirken dann als Kühlflächen, sind weitestgehend undefiniert und können in den Temperaturregelungen dieser Maschinen nicht berücksichtigt werden, da die wahren Verhältnisse nicht erfasst werden. Steht die Maschine in einem kühlen Raum ergibt sich eine andere Kaffeebezugstemperatur als wenn diese in einem warmen Raum steht. Im Kaffeegeschmack sind jedoch bereits Temperaturdifferenzen von DeltaT = 0,5 °C nachweisbar. Um hier Temperaturstabilität und schnelle Temperaturwechsel zu ermöglichen besteht der Kern der verwendeten Brühgruppe aus einem Kunststoffbauteil, welches im 3D-Druck hergestellt wird.
Die Brühgruppe bestehend aus Siebträgeraufnahme, Brühgruppeneinsatz, Wasserverteiler, Duschesieb und Brühgruppendichtung ist Gleichteil in allen Maschinentypen.
Diese Brühgruppe trägt die Bezeichnung WOC18-Brühgruppe. Die Benennung geht auf die Umstände ihrer Erfindung zurück. Die Grundidee dazu entstand im Zuge des Besuchs der World of Coffee (WOC) 2018 in Amsterdam.
Die Erfindungsrechte an den, dieser Entwicklung zugrundeliegenden Erfindungen, sind über die Gebrauchsmusteranmeldungen
20 2022 000 154.1 - Energieeffizientes Boilersystem aus doppelwandigem Glas für eine Espressokaffeemaschine
und
20 2022 000 156.8 - Brühgruppe und Mischsystem für eine Espressokaffeemaschine mit schnell veränderlicher Brühassertemperatur
geschützt.
Gleichteil in allen Maschinentypen ist auch die verwendete elektronsiche Steuerung. Verwendet werden hier handelsübliche Microkontroller welche in der Programmiersprache Micropython programmiert werden können. Für die unterschiedlcihen Aufgabenbereiche der Steuerung werden eigene Prozessoren verwendet. Für die Steuerung wurde ein Entwicklungskonzept entworfen, welches zunächst lediglich die elementar wichtigen Funktionen direkt auf den Microkontrollern ausführt und übergeordnet in einem in MATLAB® programmierten graphischen Userinterface die Entwicklung der Regelungsalgorithmen durchgeführt werden. Diese Vorgehensweise ist Hilfreich, da die operative Durchführung der Entwicklungsarbeit durch Studierende der Hochschule München, Fakultät Maschinenbau, Fahrzeugtechnik, Flugzeugtechnik erfolgt, welche nicht zwingend die Programmierung mit anderen Programmiersprachen beherrschen.
Dokumente und Arbeiten
- Projektpräsentation Stand Januar 2022
- Wintersemester 2018/2019: Abschlussarbeit Tritschler
- Wintersemester 2019/2020: Projektarbeit Florian Fritz, Sebastian O'Reilly, Tim Kittelmann, Johannes Kastner
- Sommersemester 2020: Projektarbeit Tobias Blädel, Til Ahlgrim, Lukas Ankner, Yasin Bolat, Fabian Weber, Florian Michal (Abschnitt 2.1 und 5.2)
- Wintersemester 2021/2022: Abschlussarbeit Isabell Nuißl
- Felix Kistler, Business Case Glasboiler-Maschine, Stand 01.02.2022
- Sommersemester 2022: Projektarbeit Mustafa Inaltekin, Luca Simon Kurbjuweit
- Sommersemester 2022: Abschlussarbeit Erik Reitsam
- Sommersemester 2022: Design MMM Style "on Table", Forschungsmaster, Felix Kistler
- Sommersemester 2022: Projektarbeit Felix Kistler
- Wintersemester 2022/23: Projektarbeit Martin Aspacher, Michael Albrecht, Stefanie Diener
- Wintersemester 2023/24: Prototypenbau 1-Zylinder Glasboilermaschine
- Wintersemester 2023/24: Entwicklung 2-Zylinder Glasboilermaschine
- Sommersemester 2024: Weiterführung Prototypenbau 1-Zylinder Glasboilermaschine
- Sommersemester 2024: Entwicklung von Sensoren und Aktoren
- Sommersemester 2024: Detailkonstruktionen
- Wintersemetser 2024/25 Weiterführung der Inbetriebnahme
- Wintersemetser 2024/25 Möglichkeiten der Oberflächengestaltung und Maßhaltigkeit im FDM 3D-Druck
- Wintersemetser 2024/25 Detailentwicklungen für Siebträger Espressomaschinen
- Sommersemester 2025 Möglichkeiten der Oberflächengestaltung und Maßhaltigkeit im FDM 3D-Druck
ToDo-Listen Glasboilermaschinen - MMM Style
Status
10 - Erfasst
30 - in Bearbeitung
50 - Lösung definiert
70 - in Umsetzung
90 - Umsetzung abgeschlossen
99 - Abbruch per Beschluss (Dokumentation dazu erforderlich)
100 - Maßnahme bestätigt
ToDo-Liste 1 Zylinder
Erledigte bzw. nicht weiter verfolgte ToDo's 1 Zylinder
| Arbeitspaket | ToDo | Wer | Priorität | Status | WV |
|---|---|---|---|---|---|
| Konstruktion | Verspanndeckel | ||||
| Konstruktion | Brühturm | ||||
| Konstruktion | freitragende Brühgruppe | ||||
| Konstruktion | Dampflanze | ||||
| Konstruktion | Teewasserlanze | ||||
| Konstruktion | Glasboiler | ||||
| Konstruktion | Unterbau | ||||
| Konstruktion | Bodenplatte | ||||
| Inbetriebnahme | Unterbau Verkabelung | ||||
| Inbetriebnahme | Tanks | ||||
| Inbetriebnahme | Lanzen | ||||
| Inbetriebnahme | Unterbau Verrohrung | ||||
| Inbetriebnahme | Brühturm | ||||
| Sensoren und Aktoren | Alternative Sensoren | ||||
| Sensoren und Aktoren | Konstruktion Temperatursensor, Drucksensor und Dosierventil | ||||
| Sensoren und Aktoren | Prüfprozesse für Temperatursensor, Drucksensor und Dosierventil |
ToDo-Liste 2 Zylinder
| Arbeitspaket | ToDo | Wer | Priorität | Status | WV |
|---|---|---|---|---|---|
| ZB | Hydraulikplan Style 2-Zylinder | 1 | 100 | ||
| Technische Planung | Teilenummern 2 Zylinder Glasboilermaschine | alle | 1 | 90 | laufend |
| Technische Planung | Maschinenkonzept 2-Zylinder | 1 | 100 | ||
| Konstruktion | Glasboiler | Felix Kistler | 1 | 90 | |
| Konstruktion | Tank | Felix Kistler | 1 | 90 | |
| Konstruktion | Brühturm | Felix Kistler | 1 | 90 | |
| Konstruktion | Abtropfwanne | Felix Kistler | 1 | 90 | |
| Konstruktion | Lanzen | Felix Kistler | 1 | 90 | |
| Konstruktion | Unterbau | Felix Kistler | 1 | 90 | |
| Konstruktion | Bodenplatte | Felix Kistler | 1 | 90 | |
| Technische Planung | Kostenkalkulation und Kostenoptimierung | Felix Kistler | 1 | 90 |