Dopo aver riparato il motore, pulito le parti e cambiato le lame

Ho disegnato una prima versione V1 del macinacaffè, per testare il prima possibile il comportamento del caffè con il nuovo sistema. Le nuove features consistono in un nuovo sistema di calibrazione meccanica e sul metodo di fissaggio per settare la dimensione dei grani.

Il design è minimale e tutti i parcicolari sono stati realizzati in inox 316, per garantire rigidità e massa alla struttura ed anche per il corretto grado di igiene richiesto per gli utensili da cucina.

Taglio laser di una piastra inox 316, da 5mm di spessore, per ottenere alcune parti

ed un tubo inox 316 per il corpo del macinacaffè

dopo la finitura a specchio eseguita manualmente con un processo di carteggiatura a step successivi

Acquisto e taglio di ulteriori pezzi

adesso sono pronto ad assemblare il macinacaffè V1

Ho progettato la versione V1 in modo da riempire un contenitore con una quantità di caffè macinato utile per qualche giorno. La V1 serve solo come beta tester, adesso sono pronto a disegnare la seconda versione. Per la V2 voglio macinare il caffè direttamente nel portafiltro della mia macchina espresso bar

In modo da avere caffè fresco pronto all'estrazione, chi è appassionato di caffè conosce molto bene la differenza.Come per tutte le macchine espresso bar professionali che utilizzano il famigerato sistema brevettato Faema E61, anche la mia macchina è dotata di due tipi di portafiltro

Uno per la singola ed uno per la doppia estrazione. Quindi, la versione V2 del macinacaffè dovrà riconoscere quale dei due portafiltri viene inserito, iniziare a macinare e terminare inserendo la corretta quantità di caffè necessaria all'estrazione, tutto in modo automatico e senza toccare alcun bottone o altri tipo di settaggio.

Un altro target è quello della distribuzione dei grani nel portafiltro. Il condotto utilizzato nella versione V1 non può assolvere a questa funzione, per cui devo cambiare il tubo dritto dal quale fuoriesce il caffè e adattare il profilo con un percorso atto a condurre le particelle di caffè dentro al portafiltro.

Se agitata una miscela granulare modifica la propria distribuzione di particelle, tenendo sotto controllo le variabili coinvolte in questo processo (massa, dimensione dei grani, frequenza, tempo, forza di gravità, velocità, etc) è possibile rimuovere i volumi interni con più bassa densità, incrementando la qualità dell'estrazione del caffè.

E' possibile approfondire il tema densità, la distribuzione e la dimensione dei grani del caffè leggendo alcune interessanti pubblicazioni come ad es. ref1 oppure ref2 insieme alla loro bibliografia. Informazioni molto utili per poter effettuare simulazioni corrette.

Dopo aver misurato velocità di uscita del caffè spinto dalle lame rotanti, la dimensione media e la massa dei singoli grani e dopo aver inserito queste variabili in una simulazione agli elementi finiti (FEA) è possibile vedere le traiettorie delle particelle che scorrono attraverso il nuovo condotto curvo dentro il  portafiltro. Ottimizzando la distribuzione con una piccola modifica al percorso

A questo punto, possiamo misurare il range di frequenza delle vibrazioni generate dal motore e l'accelerazione, considerando l'analisi degli altri aspetti delle vibrazioni riguardanti lo stress della struttura o la dsitribuzione delle masse. La seguente simulazione FEA mostra lo stress von Mises e la direzione dello spostamento delle vibrazioni nel range di frequenze generate dal motore ed il loro propagarsi attraverso la struttura

La massima ampiezza delle vibrazioni è concentrata lungo alcune sezioni della struttura, altre parti invece sono relativamente fisse, come la base che poggia sui 3 piedini in gomma. Da porre attenzione che il target non è l'eliminazione delle vibrazioni, al contrario come sopracitato le vibrazioni sono necessarie per una corretta distribuzione dei grani nel portafiltro, a questo scopo vengono utilizzati specifici tool VDT (Vibration Distribution Tools), disponibili sul mercato e generalmente usati per uniformare la distribuzione delle particelle nel portafiltro.

Senza dimenticare anche che le vibrazioni permettono ai chicchi di caffè presenti nel contenitore di muoversi e scontrarsi tra di loro, causando il loro graduale ingresso, senza ostruzioni, all'interno della cavità contenente le lame.

Quindi, alla versione V2 ho aggiunto la funzione di distribuzione del caffè nel portafiltro utilizzando le vibrazioni proprie, cercando di ottenere due accessori in uno (ovviamente usando le frequenze e l'ampiezza fornite dallo stesso motore).

Misurando le vibrazioni con un accelerometro sul piano XY in cima al macinacaffè, possiamo vedere che il range di frequenze ha la gran parte dell'energia tra 13 Hz e 120 Hz, con un picco intorno a 20 Hz su entrambi gli assi X e Y, ed un picco a circa 100 Hz sulla direzione Y (curva in rosso).

E' interessante vedere come la simulazione FEA non linear Eigenfrequency mostri i primi 3 modi strutturali a 18.1 Hz, 29.8 Hz, 94.1 Hz

Riguardo la direzione dello spostamento, la frequenza di risonanza (il modo fondamentale a 18.1 Hz) insieme al modo a 94.1 Hz, sono le frequenze più interessanti con le quali posso lavorare per la distribuzione del caffè nel portafiltro. Agendo sui parametri strutturali, come la rigidità dei materiali o la regolazione dell'altezza del motore e di alcune masse (esse sono libere di muoversi lungo l'asse Z, perchè l'intero corpo è fissato alla base attraverso 4 barre filettate) per cui posso cambiare l'altezza e regolare alcuni parametri meccanici per agire sulle frequenze e sulla loro ampiezza, utilizzando appunto le frequenze di massima eccitazione fornite dai modi strutturali propri del macinacaffè.

Dopo questi settaggi, adesso sono pronto a finalizzare il design della nuova versione V2 del mio macinacaffè, ordinando le restanti parti. Per la V2 ho optato per un naked design come mostrato di seguito

ricevuti alcuni componenti dal mio fornitore di taglio laser

il pannello rettangolare sulla parte bassa della foto precedente è destinato al progetto: water filter project, tutte le altre parti dopo la consueta lucidatura a specchio saranno saldati/assemblati per la costruzione del nuovo macinacaffè. Alla V2 ho aggiunto anche una trasmissione a ruota dentata elicoidale (in ottone) ed un sistema a molla atto a bloccare in posizione le lame del macinacaffè, dopo averne modificato il setup per la scelta della dimensione dei grani.

La trasmissione ha un rapporto 1:90 permettendo un fine tuning molto preciso, mentre il sistema di bloccaggio permette di fissare le due lame assicurandone la planarità e la posizione durante il funzionamento

Altre immagini del macinacaffè V2 realizzato

Per raccogliere le particelle di caffè che potrebbero fuoriuscire accidentalmente, ho utilizzato il filtro cieco fornito insieme agli altri filtri della mia macchina espresso. Per chi non ha dimestichezza con le macchine professionali, questo filtro viene utilizzato per poter misurare la pressione della macchina. In tal caso può assolvere benissimo anche alla funzione di collettore di polvere, inoltre è esteticamente allineato al design essenziale del macinacaffè.

Non voglio fissare il contenitore, ma devo garantire che rimanga in posizione e non cada a causa delle vibrazioni durante l'uso del macinacaffè o per altri impatti fortuiti (ricordiamoci che siamo in cucina!). Tuttavia vorrei un sistema semplice ed al contempo efficace come metodo pick and place per il posizionamento del contenitore. Il metodo migliore, a mio avviso, per tale applicazione è l'attrazione magnetica utilizzando un campo magnetico generato da un magnete permanente. L'obiettivo è ottenere una forza tra 10 N e 20 N, richiesta per poter tenere in posizione il nostro filtro cieco, anche in tal caso la simulazione agli elementi finiti ci può aiutare a definire il problema. Nell'immagine sottostante è mostrato il design da simulare, con il raccoglitore della polvere di caffè (il nostro filtro cieco in ferro cromato), alcuni magneti ed una vite in ferro zincato utile ad incrementare la superficie magnetica e a focalizzare il flusso magnetico al centro dell'asse di simmetria

I magneti sono stati inglobati in un disco di materiale trasparente alle interazioni magnetiche, per la stessa ragione anche il piedino in gomma è renderizzato in trasparenza nell'immagine in alto. Di seguito il risultato della simulazione mostra come le linee di flusso partono da uno dei poli e si chiudono sul polo opposto di ogni singolo magnete

il flusso magnetico coinvolge il nostro filtro cieco (le linee di flusso lo attraversano nelle sezioni in giallo) quando esso si avvicina ai magneti, creando un massimo di 1.6 kgf quando viene posizionato sul piano del disco. 1.6 kgf è un buon valore per questa applicazione. Le prossime immagini mostrano la vite M8 con testa conica sottoelevata rispetto al piano, assemblata con 8 piccoli magneti in neodimio N48, ricoperti di resina (per ridurre l'invecchiamento ed assicurare impermeabilità) in un disco in PTFE per ridurre la frizione.

Infine la vista frontale, laterale e il retro della V2 del macinacaffè con il portafiltro in posizione:

Play sul video per vedere il riassunto del progetto con le principali key features del macinacaffè

Feedbacks ricevuti da alcuni coffee forums in US: