Für das Konstruktionsspielzeug von Fischertechnik gibt es die Ergänzung für Druckluft. Irritierenderweise nennt Fischertechnik das System teilweise Profi Hydraulic, obwohl es sich um Pneumatik handelt und die Kästen auch entsprechend heißen. Mit kleinen Drücken können Zylinder bewegt werden, um die Technik zu steuern. Ein manuelles Mehrwegventil steuert den Luftfluß. Die Vorratsluft wird entweder manuell über einen zur Luftpumpe umgebauten Zylinder erzeugt oder mit einer kleinen Motorpumpe, um einen kleinen Druckbehälter zu füllen. Der Luftvorrat reicht dann für etwa drei bis fünf Kolbenbewegungen.
Pneumatikschläuche
Zum gekauften Pneumatik-Kasten gab es keinen Zentimeter extra Schlauchleitung, was ich schon peinlich geizig finde. Ersatz gibt es aber wie immer aus China bei Aliexpress. Einfach nach "silikon tube" suchen. Typen mit 2×4 mm sind passend und kosten etwa ?1,50/m (anstatt ca. ?10 für 3,7 m Art.-Nr. 180927 oder ?7,- für 3 b Artikel 122363 - die Artikeltexte sind wie immer bei Fischertechnik nichtssagend und auch kein Händler gibt an, wo der Unterschied ist). Die Schläuche passen nicht ganz so perfekt wie die Originalen aber immer noch gut genug. Es gibt auch grün-leuchtende Schläuche, die als Angelköderschnur verkauft werden, die sich ebenfalls eignen aber eine etwas zu dünne Außenhaut besitzen und deshalb nicht gut mehrfach genutzt auf- und abgesteckt werden können.
Motor-Kompressor
Ein kleiner Kompressor mit Elektromotor für 9 V ist natürlich schön, soll der Aufbau dauerhaft betrieben werden. Fischertechnik bietet ein passendes Modell (Art.-Nr. 121470) für um die 25 Euro an.
Der echte Maker will das natürlich gerne selber bauen. Um etwas zu lernen, aus Spaß und um zu sparen. Letzteres gelingt nicht wirklich. Die investierte Zeit und vor allem der 3D-Druck ist nicht umsonst. Mit einem 3D-Drucker soll natürlich ein schönes Gehäuse gedruckt werden, damit die Pumpe sich ins System integriert. Wer einen besitzt, spart natürlich gegenüber dem Originalteil. Will man nur eine Pumpe nutzen, wird es richtig billig. Wer will, kann auch einfach eine Klemmschelle für Installationsrohre aus dem Baumarkt benutzen (ca. 50 Cent) und auf den Fuß eine Bauplatte 15×45 (038242) kleben.
Eine Mini-Luftpumpe gibt es bei Ali für etwa ? 4,- unter der Typnummer 370A für 12 V mit einem Fördervolumen von 3,2 l (pro Stunde?). Der Mini-Kompressor arbeitet auch gut bei den üblichen 9 V. Wer will, kann auch die 6 V-Variante nehmen und die Spannung mit einem Spannungsteiler über eine Z-Diode anpassen. Andere Modelle sind entsprechend ebenso geeignet. Der Motor brummt wie zu erwarten etwas, ist also nicht flüsterleise und zieht ca. 250 mA bei 9 V (Polung egal).
Für dieses Modell habe ich ein Gehäuse entworfen und auf dem heimischen Drucker erprobt. Das Maß für das Gehäuse entspricht nicht dem Raster, was ich für unnötig halte, da es kaum irgendwo integriert wird. Um die feinen Konturen vor allem für die Fischertechnik-Nuten zu bekommen, habe ich das fertige Modell dann in China mit Resin drucken lassen. Bei JLC3DP kostet Resin am wenigsten und ist ausreichend stabil. Beide Hälften kosten zusammen etwa ? 4,- und mit Steuern und Versand um die ? 6,50.
Den Stromanschluß habe ich aus zwei Adernendhülsen gebastelt. Die Variante mit Ø3,2 mm Außen (Ø2,8 mm Innen) sind genau passend und der Plastikkragen wird einfach abgeschnitten und der kleine Metallkragen zeigt nach Außen, so daß die Fischertechnik-Flachstecker gut sitzen. Die Hülsen lassen sich direkt auf die Lötfahnen vom Motor löten. Eine M4-Schraube verbindet die beiden Gehäusehälften.
Die Druckluftversorgung könnte natürlich noch über ein Manometer verfügen. Vor allem wenn der kleine Lufttank automatisch gefüllt wird, ist es gar nicht notwendig, daß der Kompressor permanent läuft. Im einfachsten Fall kann der Motor aber auch einfach immer dann für ein paar Sekunden laufen, wenn ein Zylinder bewegt wird.
Mehrwegeventil
Nach dem die Druckluft sichergestellt ist, wird es Zeit, auch ein elektrisches Ventil zu bauen. Ein einfaches 3/2-Wegeventil besitzt drei Anschlüsse und zwei Stellungen: Die Zu-Luft liegt immer an einem Anschluß an und wird im Ruhezustand zu einem Ausgang geleitet. Wird das Ventil (mechanisch oder elektrisch mit Magnet) betätigt, fließt die Luft nicht etwa zum anderen Ausgang, sondern der bisherige Ausgang wird mit einem zweiten Anschluß verbunden. So ist es zumindest in der Schaltungstechnik und die Schaltpläne mit ihren Pfeilen suggerieren auch nur diese Verwendung. Da Luft allerdings (nur bei den einfachen Ventilen) keine Fließrichtung kennt, kann natürlich der eigentliche Ausgang als Drucklufteingang benutzt werden und dann wird diese zwischen den beiden anderen Anschlüssen hin und her geschaltet.
Das Ventil kann automatisch in die Grundstellung zurückfallen, wenn die Betätigung wegfällt (i. d. R. der Strom) oder wird von Hand umgestellt. Das zurückfallende Ventil ist monostabil: (eine - mono) stabile Grundstellung oder bistabil: (zwei - bi) stabile Stellungen (Handsteuerung oder spezielle elektro-mechanische Aufbauten).
Das Schaltbild zeigt ein solches Ventil wobei die zwei Schaltzustände farbig hervorgehoben wurden. Die Druckluft wird an Anschluß 1 (früher "P") angeschlossen. Im Ruhezustand (Grün) besteht eine Verbindung von 2 (Hellblau: "A" oder "B") zu 3 ("R" oder "S", "T" oder auch "R/S"), während der Drucklufteingang 1 verschlossen ist. Wird die Spule über Anschluß 12 ("Y" oder "Z") betätigt (Violett), strömt die Luft von 1 zu 2.
Ein solches Elektroventil gibt es auch von Fischertechnik (035327) für sagenhafte ? 22,-. Die Variante aus China gibt es beispielsweise unter der Typnummer 0520F für etwa ? 2,80. Im Ruhezustand besteht eine Verbindung zwischen 2 und 3 und das aktivierte Ventil verbindet 1 und 2. Die 12 V-Variante lässt sich bei 9 V nicht zuverlässig unter Druck steuern, so daß entweder eine separate Spannungsversorgung notwendig ist oder der Typ für 6 V benutzt wird. Die 6 V-Variante benötigt etwa 160 mA. Ein Widerstand mit ca. 18 Ω (0,5 W) würde aus den üblichen 9 V eine geeignete Spannung machen. Ich benutze einfach zwei Dioden vom Typ 1N400x in Reihe (um PLatz zu sparen eine am Plus- eine am Minuspol). Diese können genügend Spannung und 1 A ab, während sie jeweils etwa 0,9 V Vorwärtsspannung verbraten, so daß die Spulen mit ca. 7,2 V betrieben werden, was sie abkönnen sollten. Prinzipiell sind die Ventile nicht für dauerhafte Bestromung gedacht und werden mit der Zeit warm. Es ist daher ratsam, die Grundstellung wirklich an A anzuschließen und die Ventile nur kurze Zeit anzusteuern.
Um einen Zylinder mit Rückstellfeder zu betreiben, ist lediglich Druckluft an Anschluß 1 und eine Verbindung zwischen 2 und dem einen Ende des Zylinders notwendig. Wird das Ventil angesteuert, strömt die Luft in den Zylinder und fährt ihn aus. Die gegenüberliegende Seite des Hubkolbens drückt die Luft aus dem zweiten (offenen) Zylinderanschluß. Ohne Strom strömt die Luft am offenen Zylinderanschluß hinein, während die Feder den Kolben zurück schiebt und die Luft aus der anderen Kammer über das Ventil bei 3 frei ausströmt.
Um einen Zylinder mit Druckluft sowohl ein- als auch auszufahren (weil mehr Kraft benötigt wird, als eine Feder liefern kann oder die Bewegungsgeschwindigkeit kontrolliert werden soll), bedarf es eines 5/2-Wegeventils. Dieses besitzt fünf Anschlüsse und kann die Luft von einem Eingang (P) auf einen von zwei Ausgängen (A oder B) führen, während der jeweils andere Anschluß (B oder A) mit einem Ausgang (R oder S) verbunden wird.
Dies ist notwendig, weil sich bei der Bewegung des Kolbens im Zylinder andernfalls ein Vakuum auf einer Seite aufbauen würde. Beim Kolben mit Feder ist die eine Kolbenseite offen und die Luft kann frei ein- und ausströmen, so daß dort ein einfaches 3/2-Wegeventil ausreicht.
In welche Richtung sich der Kolben im Ruhezustand des Ventils bewegen soll, ist beliebig und abhängig von der Aufgabenstellung. Die Anschlüsse A und B sind dazu einfach zu vertauschen.
Fischertechnik bietet lediglich ein manuelles 5/2-Ventil an, bei dem die Ausgänge R und S intern zusammengeführt sind, weshalb sie dort "R/S" genannt werden. Baut man an diesem Ausgang eine Abluftdrossel (180925 + 180926 - irgendwie lächerliche Teilepolitik) ein (die lediglich den durchgeführten Gummischlauch zusammendrückt), kann die Geschwindigkeit für die aus dem Zylinder ausströmende Luft justiert werden, so daß er sich langsamer bewegt.
Für eine Anlagenkontrolle mittels Mikrocontroller wie zum Beispiel mit dem von mir entwickelten ftNano und Arduino (Werbung) muß natürlich ein elektrisches Ventil her. Erstaunlicherweise gibt es das nicht in miniaturisierter Form. Lediglich für professionelle Pneumatikanlagen sind solche Ventile verfügbar. Ich habe inzwischen auch solche Ventile und den passen Kompressor, so daß ich diese Technik hier nachreichen werde.
Der abgebildete Aufbau zeigt, wie zwei 3/2-Wegeventile zu einem 5/2-Ventil verbunden werden können. Die Ausgänge R und S sind intern verbunden, um die Kompatibilität zu Fischertechnik beizubehalten, so daß es eigentlich ein 4/2-Wegeventil ist (bei diesem läßt sich die Luft beim Aus- und Einfahren nicht über zwei Drosseln getrennt einstellen, sondern die Bewegung ist in beiden Fällen gleich schnell), auch wenn es dennoch als 5/2 bezeichnet wird. Im stromlosen Zustand strömt die Luft von P nach A und von B nach R/S. Wird das Kombi-Ventil angesteuert, wird P mit B und A mit R/S verbunden.
Die Polarität der Spulen ist wichtig, wenn auch nicht kritisch. Mit einem Brückengleichrichter könnte der Aufbau so erweitert werden, daß der Anschluß beliebig ist. Die Dioden zur Spannungsreduzierung verhindern aber grundsätzlich schon eine falsche Polung.
Die beiden Ventile wurden wieder in einem 3D-gedruckten Gehäuse untergebracht. Zwei T-Stücke für P und R/S sind fest integriert (wenn auch nicht sonderlich stabil - zumindest bei Resin). Ich empfehle den Druck mit Nylon, was zwar etwas mehr kostet aber (vermutlich) stabiler ist.
Mit kurzen Schläuchen (knickfrei verlegen) wurden die Anschlüsse verbunden und die Spannungskabel zusammen gelötet und mit Endhülsen versehen. Die Schläuche werden mit einem Tropfen Sekundenkleber fixiert, damit sie unter Druck nicht abrutschen. Ein Deckel verschließt den unübersichtlichen Aufbau letztendlich noch. Ein Gehäusesatz kostet inkl. Versand etc. etwa 6,50 Euro.
Ob sich das Konzept auf Dauer bewährt, muß sich noch zeigen. Bisher funktioniert es aber wie gewünscht. Hier gibt es noch die STL-Daten als Download (Kompressor und Ventil).
Ein kleiner Kompressor mit Elektromotor für 9 V ist natürlich schön, soll der Aufbau dauerhaft betrieben werden. Fischertechnik bietet ein passendes Modell (Art.-Nr. 121470) für um die 25 Euro an.
Nach dem die Druckluft sichergestellt ist, wird es Zeit, auch ein elektrisches Ventil zu bauen. Ein einfaches 3/2-Wegeventil besitzt drei Anschlüsse und zwei Stellungen: Die Zu-Luft liegt immer an einem Anschluß an und wird im Ruhezustand zu einem Ausgang geleitet. Wird das Ventil (mechanisch oder elektrisch mit Magnet) betätigt, fließt die Luft nicht etwa zum anderen Ausgang, sondern der bisherige Ausgang wird mit einem zweiten Anschluß verbunden. So ist es zumindest in der Schaltungstechnik und die Schaltpläne mit ihren Pfeilen suggerieren auch nur diese Verwendung. Da Luft allerdings (nur bei den einfachen Ventilen) keine Fließrichtung kennt, kann natürlich der eigentliche Ausgang als Drucklufteingang benutzt werden und dann wird diese zwischen den beiden anderen Anschlüssen hin und her geschaltet. Das Ventil kann automatisch in die Grundstellung zurückfallen, wenn die Betätigung wegfällt (i. d. R. der Strom) oder wird von Hand umgestellt. Das zurückfallende Ventil ist monostabil: (eine - mono) stabile Grundstellung oder bistabil: (zwei - bi) stabile Stellungen (Handsteuerung oder spezielle elektro-mechanische Aufbauten).
Ein solches Elektroventil gibt es auch von Fischertechnik (035327) für sagenhafte ? 22,-. Die Variante aus China gibt es beispielsweise unter der Typnummer 0520F für etwa ? 2,80. Im Ruhezustand besteht eine Verbindung zwischen 2 und 3 und das aktivierte Ventil verbindet 1 und 2. Die 12 V-Variante lässt sich bei 9 V nicht zuverlässig unter Druck steuern, so daß entweder eine separate Spannungsversorgung notwendig ist oder der Typ für 6 V benutzt wird. Die 6 V-Variante benötigt etwa 160 mA. Ein Widerstand mit ca. 18 Ω (0,5 W) würde aus den üblichen 9 V eine geeignete Spannung machen. Ich benutze einfach zwei Dioden vom Typ 1N400x in Reihe (um PLatz zu sparen eine am Plus- eine am Minuspol). Diese können genügend Spannung und 1 A ab, während sie jeweils etwa 0,9 V Vorwärtsspannung verbraten, so daß die Spulen mit ca. 7,2 V betrieben werden, was sie abkönnen sollten. Prinzipiell sind die Ventile nicht für dauerhafte Bestromung gedacht und werden mit der Zeit warm. Es ist daher ratsam, die Grundstellung wirklich an A anzuschließen und die Ventile nur kurze Zeit anzusteuern. Um einen Zylinder mit Rückstellfeder zu betreiben, ist lediglich Druckluft an Anschluß 1 und eine Verbindung zwischen 2 und dem einen Ende des Zylinders notwendig. Wird das Ventil angesteuert, strömt die Luft in den Zylinder und fährt ihn aus. Die gegenüberliegende Seite des Hubkolbens drückt die Luft aus dem zweiten (offenen) Zylinderanschluß. Ohne Strom strömt die Luft am offenen Zylinderanschluß hinein, während die Feder den Kolben zurück schiebt und die Luft aus der anderen Kammer über das Ventil bei 3 frei ausströmt.
Um einen Zylinder mit Druckluft sowohl ein- als auch auszufahren (weil mehr Kraft benötigt wird, als eine Feder liefern kann oder die Bewegungsgeschwindigkeit kontrolliert werden soll), bedarf es eines 5/2-Wegeventils. Dieses besitzt fünf Anschlüsse und kann die Luft von einem Eingang (P) auf einen von zwei Ausgängen (A oder B) führen, während der jeweils andere Anschluß (B oder A) mit einem Ausgang (R oder S) verbunden wird.
Dies ist notwendig, weil sich bei der Bewegung des Kolbens im Zylinder andernfalls ein Vakuum auf einer Seite aufbauen würde. Beim Kolben mit Feder ist die eine Kolbenseite offen und die Luft kann frei ein- und ausströmen, so daß dort ein einfaches 3/2-Wegeventil ausreicht.
Für eine Anlagenkontrolle mittels Mikrocontroller wie zum Beispiel mit dem von mir entwickelten ftNano und Arduino (Werbung) muß natürlich ein elektrisches Ventil her. Erstaunlicherweise gibt es das nicht in miniaturisierter Form. Lediglich für professionelle Pneumatikanlagen sind solche Ventile verfügbar. Ich habe inzwischen auch solche Ventile und den passen Kompressor, so daß ich diese Technik hier nachreichen werde. Der abgebildete Aufbau zeigt, wie zwei 3/2-Wegeventile zu einem 5/2-Ventil verbunden werden können. Die Ausgänge R und S sind intern verbunden, um die Kompatibilität zu Fischertechnik beizubehalten, so daß es eigentlich ein 4/2-Wegeventil ist (bei diesem läßt sich die Luft beim Aus- und Einfahren nicht über zwei Drosseln getrennt einstellen, sondern die Bewegung ist in beiden Fällen gleich schnell), auch wenn es dennoch als 5/2 bezeichnet wird. Im stromlosen Zustand strömt die Luft von P nach A und von B nach R/S. Wird das Kombi-Ventil angesteuert, wird P mit B und A mit R/S verbunden. Die Polarität der Spulen ist wichtig, wenn auch nicht kritisch. Mit einem Brückengleichrichter könnte der Aufbau so erweitert werden, daß der Anschluß beliebig ist. Die Dioden zur Spannungsreduzierung verhindern aber grundsätzlich schon eine falsche Polung.
Die beiden Ventile wurden wieder in einem 3D-gedruckten Gehäuse untergebracht. Zwei T-Stücke für P und R/S sind fest integriert (wenn auch nicht sonderlich stabil - zumindest bei Resin). Ich empfehle den Druck mit Nylon, was zwar etwas mehr kostet aber (vermutlich) stabiler ist.
Mit kurzen Schläuchen (knickfrei verlegen) wurden die Anschlüsse verbunden und die Spannungskabel zusammen gelötet und mit Endhülsen versehen. Die Schläuche werden mit einem Tropfen Sekundenkleber fixiert, damit sie unter Druck nicht abrutschen. Ein Deckel verschließt den unübersichtlichen Aufbau letztendlich noch. Ein Gehäusesatz kostet inkl. Versand etc. etwa 6,50 Euro. Ob sich das Konzept auf Dauer bewährt, muß sich noch zeigen. Bisher funktioniert es aber wie gewünscht. Hier gibt es noch die STL-Daten als Download (Kompressor und Ventil).