Servo-Pneumatik mit Fischertechnik?

[Harald]

Einfach nur faszinierend!

Ich muss mich ja mit aller Gewalt davon zurückhalten, mich wieder zu verzetteln und die Pneumatik nach vorne zu ziehen.
Mein aktuelles Projekt ist ja schon seit Monaten im Zustand "fast fertig". Dumm nur, dass der Zustand "fertig" dauernd davon läuft.

Gruß,
Harald

[Harald]

Ich weiß ja üüberhaupt nicht, warum ich gerade darauf komme ... haftet eigentlich so ein Schraubensicherungslack, insbesondere der originale von fischer, auf Teflonröhrchen?

[atzensepp]

Vielversprechend ist folgende Idee mit Teilen von (defekten) Fischertechnik-Zylindern:

ftsp.JPG (39.46 KiB) 1352 mal betrachtet

Die Kombo ist auf jeden Fall sehr leichtgängig. Ggf. kann ich den Gegen-Anschlussblock drauf setzen.
Aber die sind leider undicht. Evtl. hilft hier ja der bereits beschriebene Sekundenkleber-Trick.
Die Ventilanschlüsse werde ich wieder über ein mit Teflonband gedichtetes Joch realisieren. Oder vlt. kann ich ja auch Röhrchen direkt dran kleben.

Intakte Teile würde ich nicht verwenden. Habe dazu defekte Hydraulikzylinder ausgeschlachtet.
Hier einer, mit Sprung im Anschluss-Block

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PZ.JPG (37.26 KiB) 1347 mal betrachtet

[atzensepp]

Das sehr dichte und gut regelbare schnelle Quetsch-Servoventil mit optimierter Servo-Ansteuerung:

SP17.JPG (76.36 KiB) 1271 mal betrachtet

Der Aufbau ist jetzt etwas länger, jedoch konnte auf die Rückstellung mittels Feder verzichtet werden, wodurch sich das Regelverhalten verbessert hat.
Die runde Servoadapterplatte wurde auf eine Achsverschraubung (reversibel) montiert.

Matulka.JPG (44.3 KiB) 1148 mal betrachtet

[atzensepp]

Servoventil aus recycelten Teilen von defekten Hydraulikzylindern und einem offenen ft-Zylinder.
Das Gegenventil mit der Achsdurchführung besteht aus einer Standard-Dichtung aus dem Baumarkt mit einem 4mm Loch, die von dem Gehäuse auf den Zylinder gepresst wird. Um den richtigen Anpressdruck zu finden sind Beilagschieben bzw. O-Ringe unterlegt. In den Zylinder sind Öffnungen der Ventil-Leitungen gebohrt und Plastikröhrchen für die Zuleitungen eingeklebt.

FV2.JPG (62.19 KiB) 823 mal betrachtet

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Die Entlüftung der Arbeitszylinder findet statt, wenn ein mittleres Paar der Öffnungen zwischen den Dichtlippen einer Dichtungsgrupe des ft-Kolben ist, während die Gegenseite mit Druck beaufschlagt wird.

FV3.JPG (40.64 KiB) 816 mal betrachtet

Wegen der dünnen Dichtlippen gibt es Übergangszustände, bei denen Pumpe teilweise entlüftet wird.
Das Ventil ist hat eine Hysterese, was die Regelung etwas schwierig macht.
Man könnte die Ventile so anordnen, dass kein Übergangszustand auftritt, d.h. immer zwei Dichtlippen zwischen den relevanten Leitungen sind.
Dies würde allerdings die Hysterese noch weiter vergrößern, da man dann die Ventilstange immer um eine Dichtungsgruppe (Gummi- roter Distanzring - Gummi) verschieben müsste. Hier wären breitere Dichtungen interessant, die ein Ventilloch komplett abdecken, was allerdings wiederum die Reibung vergrößern würde.

Wäre schon gut, wenn man kompatible Dichtungen und Rohre hätte. So was müsste es schon geben.

[juh]

Wäre schon gut, wenn man kompatible Dichtungen und Rohre hätte. So was müsste es schon geben.

Hallo Florian,

zu den Rohren kennst du ja meine Bezugsquelle, hbholzmaus, 15x13 wie das Original, bis zu 1m.

Bei den Dichtungen kann ich etwas berichten:

Mich haben Haralds Berichte (vielen Dank @Harald!) über gedruckte Dichtungen zu weiteren Experimenten angeregt. Ich habe bei meinen frühen Versuchen einen dummen Denkfehler begangen: Ich habe den für die Dichtigkeit kritischen Teil immer in Z-Richtung *oben* gedruckt, in der Annahme, dass er zu sensibel ist, um das Ablösen vom Druckbett gut zu überstehen. Das hat allerdings nie einen sauberen Abschluss gegeben. Einfach umgedreht gedruckt und dem Material vertraut, das hat nämlich die beste aller Schichthaftungen, konnte ich jetzt bereits recht vielversprechende U-Profile drucken, Wandstärke 0,4 mit 0,4 Düse:

Screenshot_20250816_103124.png (89.41 KiB) 711 mal betrachtet

Das funktioniert schon sehr, sehr gut, auch nicht komplett luftdicht, aber viel toleranter ggü. den Ungenauigkeiten der Zylinder als meine bisherige Lösung mit O-Ringen. Ich probiere gerade noch verschiedene Profilvarianten eher in V-Form.

Ich habe gerade nicht mehr deine ganze Historie um Überblick, hattest du TPU schon in Erwägung gezogen?

vg
Jan

[atzensepp]

Hallo Jan,

bislang habe ich um TPU einen großen Bogen gemacht. Aber Ihr ermutigt mich dazu, es doch mal zu probieren.

Habe mir noch was anderes überlegt: Um die Reibung zwischen Dichtfläche und Dichtung zu verringern könnte man versuchen, die Dichtung auch über eine Rolle zu realisieren, die dann die Öffnungen beim darüber Rollen abdeckt. Diese Reibung könnte etwas geringer ausfallen als wenn man einen Dichtungsring in einem Kolben entlang schiebt (wie beim Auto: Fahren vs. Vollbremsung mit quietschenden Reifen) . Das Dichtungsmaterial könnte entweder auf der Rolle (Gummiring oder Gummiwalze?) sein oder auf der Gehäuseseite (aus breitem Haushaltsgummi oder Fahrradschlauch)
Um ein Umschaltventil zu bauen bräuchte man dann leider doch noch eine Achsdurchführung mit einer Dichtung für die Drehachse .

Rollenventil, A=Arbeitszylinder, T=Tank(Entlüftung), P=Pumpe

Rollenventil.JPG (38.09 KiB) 679 mal betrachtet

Da nur ein kleiner Winkel überstrichen wird, braucht man kein Vollrad, sondern könnte ein Kreissegment (Kuchenstück) nehmen.
Ein weiteres Problem könnte das Totvolumen im Ventil sein, das dann die Schaltzeiten beeinflusst. Beim Umschalten von P auf T (Tank) könnte gespeicherte Luft im Totvolumen erst mal in den Hubzylinder strömen, bevor es entlüftet wird. Aber das hat man bei den anderen Ventiltypen auch.

Ein Thema könnte aber sein, dass die Dichtwirkung gegen den Pumpendruck wirken muss. Der Pumpendruck kann dann m.E. ein Drehmoment auf die Dichtungswalze ausüben.

Grüße
Florian

[atzensepp]

Inzwischen habe ich eine Servo-Steuerung für einen doppelt wirkenden Zylinder mit 4 Proportionaldrosselventilen realisiert.
Die Ventile werden über PWM-Signale (Arduino MEGA) angesteuert, die mit einem ULN2004 auf 20V umgesetzt werden
Wenn die Sollposition erreicht ist, werden alle Ventile geschlossen und verbrauchen dann keinen Strom mehr.
Die Pumpen- und Entlüftungsventile einer Zylinderkammer dürfen natürlich nur wechselseitig geöffnet und geschlossen werden.
(Zum Entlüftung des Systems macht man alle auf)

Ggf. kann ich die Abluftwege auch durch einfache On-Off-Ventile und nur die Druck-Zuleitungen mit Proportionalventilen ansteuern. Dann könnte ich zwei Kanäle bauen.
Für die Pumpe habe ich eine einfache Druckregelung implementiert, so dass sie nur läuft, wenn der Arbeitsdruck unterschritten wird.
Da der Druckkreis sehr dicht ist, läuft sie nur, wenn der Hubzylinder angesteuert wird.

Vier Proportionaldrosseln für einen Hubzylinder; V25: Pumpe->Zyl. Kammer A, V22: Entlüftung A -> Zyl. Kammer A, V24: Entlüftung B; V21: Pumpe -> Zyl. Kammer B.
(Wo ist nur V23?)

VSONC3.JPG (81.6 KiB) 561 mal betrachtet

Diese Ventileinheit lässt sich gut und sehr genau regeln und die Untersuchung des Regelverhaltens mit unterschiedliche Hysterese ist möglich.

PS: Die Ventile sind auf eine gebohrte Messingleiste geschraubt. Als Dichtung dienen Stückchen von gelochtem Fahrradschlauch. Zum Anschluss für die Pneumatiskschläuche sind 2.5mm Aderendhülsen an der Unterseite der Messingleiste auf die Löcher für die Ventilöffnungen gelötet.

PS: Wenn 2 Ventile offen sind, ist der Stromverbrauch 310 mA, wenn alle 4 offen sind 520 mA (warum?)

[Harald]

Respekt!
Ich hab ja schon einiges angestellt, aber Löcher quer in die Plexi-Rohre sind was neues. Das war mir immer zu "heiß" mit der Befürchtung, dass 1. der Bohrer verrutscht, 2. das Röhrchen reißt oder platzt, 3. der verbleibende Grat die Dichtungen ramponiert.

Kleben mit Sekundenkleber (Cyanacrylat) ... das Zeug wird spröde, und auf dem Weg dahin gast es aus, d.h. umliegende Teile kriegen einen harten und matten Überzug verpasst. Wenn's schon sein muss, dann solltest du das unter Luftstrom von innen nach außen trocknen lassen.

Dichtlippen:
Wenn die Stirnseite flach werden soll, gibt es beim Prusa-Slicer das Bügeln (ironing). Der Modus fährt zum Schluss noch eine Extrarunde mit wenig Materialzugabe:
https://help.prusa3d.com/de/article/bugeln_177488
Überkopf drucken auf einer Glasplatte dürfte auch zielführend sein (ich hab keine).

Nun ist allerdings hier die Stirnfläche weniger gefragt, sondern der Außenrand der Lippe. Mit einem Schleifstein habe ich damit schon etwas bezwecken können. Der nächste Schritt ist das Proxxon-Handgerät ("Dremel" hat sich eingebürgert) mit Schleifscheibe, im Oberschlitten der Drehbank, und der Kolben oder Zylinder im Drehfutter. Bei gegenläufiger Drehung am Berührungspunkt müsste da etwas glattes herauskommen.

Sollte es einen Typ Schrumpfschlauch geben, der auch nach dem Schrumpfen noch richtig elastisch ist, wäre das auch eine Option, allerdings mit großem Frickelfaktor. Mein Versuch ergab einmal eine fest sitzende Beschichtung einer ft-Stahlachse (--> unbrauchbar, geht nicht im Ganzen runter) und einmal ein unrundes, hartes Etwas (--> auch unbrauchbar), das nur mit Mühe plan abzutrennen ist.


Exzenter / Zykloide
Das ist mal ne ganz neue Idee! Nur mit gleich drei Anschlüssen pro Kammer braucht das noch ein Gelenk oder etwas flexibles: wenn P=zu sein soll, kann der Tank zur Abluft hinaus blasen, und zum Füllen muss die Scheibe weit drehen, bis die Abluft zu ist. Mit zwei Kammern pro P-Anschluss geht es (einmal T-P auf/zu, einmal P-A auf/zu).

[atzensepp]

Hallo Harald,

ja, der Übergangszustand, bei dem diese temporäre Schaltung zwischen T und P auftritt, ist tatsächlich unschön. Auch der Grund, warum der Versuch mit den eingeklebten Ventilen nicht so optimal funktioniert hat. Eine Abschottung über zwei Dichtlippen hinweg würde, wie bereits erwähnt, die Hysterese vergrößern.

Was man versuchen könnte, ist es, eine zweite Rolle im Ventilgehäuse unterzubringen, die dann etwas größer ist, so dass sich ein etwas unterschiedliches Dichtverhalten ergibt.

Rollendichtung: Das größere Rad dichtet etwas eher ab als das Kleine

RV1.JPG (37.18 KiB) 409 mal betrachtet

Allerdings ist das auch nicht 100% gut. Es käme auf einen Versuch an. Und über das Stichwort "Gelenk" muss ich noch mal genauer nachdenken.
(ggf. ein Rad mit Feder + Anschlag, so dass sich beider Räder unterschiedlich bewegen können?)

Man bräuchte eigentlich eine zeitliche Ventilsteuerung (evtl. wie beim Automotor mit Nockenwelle), bei der erst der Ausgang zu T dicht gemacht wird, bevor P durchgeschaltet wird. Das erreicht man durch den gewissermaßen punktförmigen Kontakt der Räder nicht.

Eine andere Lösung, die dieses Problem nicht - dafür wieder etwas Hysterese - hat, wäre ein Gummiband als Dichtung zu nehmen.

Banddichtung mit Rädern

RV2.JPG (41.33 KiB) 409 mal betrachtet

Nachteil: Man braucht dann zwei Achs-Dichtungen und müsste Ventilanschlüsse an den sich bewegenden Rädern vorsehen. D.h. bei jeder Ventilbewegung wird der Schlauch mitbewegt. Und man hat ein noch größeres Totvolumen im Ventil. Oder man macht zwei getrennte Kanäle in ein Rad und legt das Andere als einfaches Rad im Ventilgehäuse aus, was dann aber eine Hohlachse mit zwei Leitungen erfordern würde.

[atzensepp]

Ich hab mir Folgendes gedacht: Mit den Rollen an Gelenken und und Federn: In der Ausgangssituation sind die Rollen über den Öffnungen und das Ventil ist dicht. Die Schenkel, an deren Enden sich die Dichtrollen befinden, sind jeweils mit einer Spiralfeder am Mitnehmer befestigt. Wird dieser gedreht, bleibt der eine Schenkel am Anschlag, dichtet also weiter und der Andere dreht weiter und öffnet das Gegenventil. Die eine Feder wird gedreht, die Andere dreht mit. Die Federkraft muss größer als die Rollreibung an der Dichtung sein. Nur für die Kraftübertragung ist nach wie vor eine Wellendichtung notwendig.

"Ventilmaennchen"

RV3.JPG (39 KiB) 352 mal betrachtet

Könnte das funktionieren? Wie würde man den Federmechanismus realisieren? Evtl. mit Flexures?
Das Ganze könnte auch linear realisiert werden.
Eventuell wird durch die Federn ein dynamisches Verhalten (Schwingungen?) eingebracht. Aber auf jeden Fall durch die Federn ein zusätzlicher Widerstand zur Reibung an der Wellendichtung. Hmm...

[Harald]

Hallo Florian,

Das wird ein bisschen zu komplex werden. Die Federn und Rollen gehören ja immer in eine luftdichte Kammer, und an mindestens einer Stirnseite kommt eine Achse heraus, die gedreht werden soll. Sprich: axial anreihbar ist das nicht.


Ich habe da vor langer Zeit auf einem Entwurf herumgekaut (noch so einer, der in den Anfangstagen meiner 3D-Druckerei auf halber Strecke liegen geblieben ist). In ft:pedia 2016-01, S. 17 ist der Anfang gezeigt:

Die Negativform aus 2016 (der untere rote Steg ist falsch)

4xPneuVentilNegativ.jpg (117.29 KiB) 324 mal betrachtet

:

Aktuell überarbeitet wird daraus:

Das ist die Negativform. Dieser Block steuert zwei Zylinder an, einer links und einer rechts. Wir sehen also die Luftkanäle, so wie die Gänge in einer ägyptischen Pyramide. Der Kanal in magenta ist "T". Aus den damit verbundenen Ringen kann Luft nach innen strömen (wenn sie kann) und fließt dann in ein oranges Element. Davon führt jedes zu einem Zylinderanschluss (in orange), mit einem Wattestäbchen-Plastikrohr als Übergang.

OpenSCAD aus 2025

P-Ventil04.png (26.01 KiB) 324 mal betrachtet

.
Die blauen Anschlüsse führen ins Freie ("A").
Jede Zylinderseite (orange) kann also von magenta (T) aus befüllt und nach blau (A) entlüftet werden. Das wird gesteuert durch eine Gummimembran, die flach über die gesamte Anordnung gespannt wird und über den Ringkanälen (magenta und orange von je einem Stempel niedergedrückt wird. Wird ein Stempel angehoben, kann die Luft von außen nach innen strömen. Jeder Zylinder kriegt vier Stempel, die im Quadrat angeordnet sind. Mittig längs über der Anordnung denkt man sich eine Achse, um die die Stempelpakete gekippt werden können. Beim Kippen werden nur die zwei Stempel an einer Seite angehoben, die andere bleibt angedrückt.

Das ist die Ventilbox mit davon subtrahierten Kanälen und dem Deckel. Die Gummimembran ist nicht dargestellt. Die kommt von einem Gymnastikband (gibt's alle Jahre beim Lebensmitteldiscounter, in verschiedenen Stärken). Gummihandschuhe und Kondome taugen hierfür nichts, die zerbröseln nach ein paar Tagen im Sonnenlicht.

Die Kanäle in der Ventilbox, mit Deckel

P-Ventil05.png (40.59 KiB) 315 mal betrachtet

Die Stempel-Viererpacks haben nach oben je einen Betätigungshebel, und werden mit Gummiringen niedergespannt, die um die Ventilbox geschlungen werden. So jedenfalls stelle ich mir das vor; der Entwurf ist erstmal nur bis hierher gediehen (das Bild ist auch von damals(tm)). Das blaue ist der Hebel für einen Zylinder, an den Stempeln und mitten drin sind rechteckige Haftpads (Brim) für den 3D-Druck vorgesehen.

Entwurf 2016, blau = Stempelblock für einen Zylinder

4xPneuVentilGesamt.jpg (103.5 KiB) 315 mal betrachtet

[juh]

Sehr ausgefuchst, lieber Harald! Sehr geniale Idee, den Verschlussmechanismus praktisch reibungslos umzusetzen. Und wieder mal eine Anwendung für dein geliebtes Gymnastikband!

Ich bin vielleicht nicht mehr ganz auf dem Stand der Diskussion, daher Entschuldigung für evtl. Redundanz: Hattet Ihr eigentlich schon einmal die diversen 3D-gedruckten Mechanismen für Pneumatik-Ventile angesehen z.B. bei thingiverse?

Da gibt es ja (weniger interessant) Adapter für Fremdbauteile oder die Schlauchklemm-Methode (https://www.thingiverse.com/thing:3393809), aber auch eigene Ventillösungen, teils selbst ohne flexible Dichtungen, z.B. https://www.thingiverse.com/thing:3200326 oder https://www.thingiverse.com/thing:216761, die ähnlich wie das ft-Handventil arbeiten. Dort wird teils berichtet, dass die trotzdem luftdicht zu bekommen sind und es sind mechanisch sehr einfache Mechanismen.

V.a. @Florian, deine Werke und Experimente sind fantastisch, aber so etwas wird ja schwer serienreif zu fertigen sein. Genial übrigens die Idee mit dem Rollmechanismus.

vg
Jan