Alles rund um das Thema Pneumatik

Didaktisches Begleitmaterial zum Produkt STEM Pneumatics

Das fischertechnik Pneumatic Eduaction Set

Hier finden Sie umfangreiche Produktinformationen zum fischertechnik Pneumatik Education Set.
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Fertige Unterrichtspläne

Es stehen fertige Unterrichtspläne für das links angeführte Produkt zur Verfügung. Wenn Sie Näheres zu Lerninhalten, Bezug zum Bildungsplan und zu den Downloads der Aufgabenblätter und Lösungen gelangen wollen, folgen Sie diesem Link.
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Pneumatik nennt sich die Technik zur Steuerung und Ausführung von Arbeitsgängen in Maschinen mit Druckluft. Genauso wie bei unter Druck stehendem Öl in Hydraulikzylindern großer Bagger und anderer Baumaschinen lassen sich große Kräfte und schnelle Bewegungen auch mit Druckluft realisieren. Das bietet eine ganze Reihe Vorteile – insbesondere im Kinder- und Klassenzimmer:

  • Pneumatik ist eine leicht verständliche und äußerst anschauliche Technik – man sieht, was sich bewegt und man spürt, wie unterschiedlich hoher Druck zu unterschiedlicher Kraft führt.
  • Pneumatik-Zylinder üben bei gleichem Druck immer die gleiche Kraft aus, unabhängig davon, wie weit sie ausgefahren sind. Das ermöglicht es auf einfachste Weise, z. B. ein Werkstück mit konstanter Kraft festzuhalten, ohne es durch zu große Kraft zu beschädigen.
  • Mit Pneumatik-Zylindern lassen sich sehr schnelle Bewegungen ausführen.
  • Durch den Einsatz von Ventilen sind auch rein pneumatische Steuerungen möglich.
  • Da dabei keine Funken entstehen (wie es beim elektrischen Schalten der Fall sein kann) eigenen sich pneumatische Anlagen auch für den Umgang mit brennbarem Material (etwa bei Abfüllanlagen).
  • Entweichende Druckluft ist – anders als auslaufendes Öl bei der Hydraulik – kein Umweltproblem.

Aus diesen Gründen findet sich Pneumatik in unzähligen industriellen Anwendungen zum Bearbeiten von Werkstücken, Abfüllen von Getränken, Verpacken, Greifen und Handhaben von Teilen und vielem mehr.

Historie

Pneumatik hat eine überraschend lange Tradition: Schon im dritten Jahrhundert v. Chr. beschäftigte sich der griechische Mathematiker und Erfinder Ktesibios mit Druckluft und den dadurch möglichen Maschinen. Seine erste pneumatisch funktionierende Maschine war eine Pumpe zum Anheben von Wasser. Es folgten Druckluft-basierte Uhren, Katapulte und Orgeln.

So wurde die enorm vielseitige Nutzbarkeit von Druckluft bekannt und die Pneumatik deshalb mehr und mehr eingesetzt. Dampfmaschinen, Dampflokomotiven, Tauchen mit Druckluft, Lackieren, Airbrush-Techniken, Druckluft-Sirenen, die Geschwindigkeitsmessung mit Staudüsen bei Flugzeugen – all das gehört zur Pneumatik und zeigt, wie nützlich und variabel diese relativ einfache Technik eingesetzt werden.

Heute ist Pneumatik aus dem Alltag kaum wegzudenken. Sie dient unzähligen Zwecken vom Aufpumpen eines Luftballons über den Presslufthammer im Straßenbau, die leicht zu haltende Druckluft-Schlagbohrmaschine im Haushalt, dem Absaugen von Luft vor dem Einschweißen von Nahrungsmitteln bis zu großen industriellen Anlagen. Ein weites Feld also!

Definition

Pneumatik ist der Teilbereich der Druckluft-Technik, der sich mit der Verrichtung von Arbeit durch Druckluft (typischerweise in Pneumatik-Zylindern) und der Steuerung dazu gedachter Maschinen (über Ventile) befasst. Das kann in folgende Bereiche aufgeteilt werden:

  • Die Druckluft-Erzeugung liefert normale Umgebungsluft in komprimierter Form. Das wird durch Kompressoren erreicht, die Luft ansaugen, in einer Pumpe verdichten und in Druckluftleitungen (Schläuche oder Rohre) abgeben. Niederdruckpneumatik arbeitet im Bereich von ca. 100 mbar bis 1 bar Überdruck, für größere Kräfte werden standardmäßig meist etwa 6 bar Überdruck verwendet.
  • In der Druckluft-Aufbereitung wird die Luft gesäubert (z. B. gefiltert) und ggf. auch mittels Zerstäubern mit einem feinen Ölnebel angereichert, der der kontinuierlichen Schmierung der beweglichen Teile wie Ventile und Zylinder dient.
  • Die Druckluft-Verteilung übernehmen Schläuche, Rohre, T-Stücke und dergleichen.
  • Die Steuerung geschieht über Ventile, die manuell (von einer Bedienperson), maschinell (von einem sich bewegenden Maschinenteil) oder pneumatisch (durch das Druckluftsignal eines anderen Ventils) betätigt werden können. Es gibt eine Vielzahl von Ventilen zum Ein- oder Ausschalten eines Signals (also der Beaufschlagung mit Druckluft oder der Entlüftung), für Zeitverzögerungen und zur Signalspeicherung. Drosseln regulieren die Stärke eines Luftstroms (damit ein Zylinder langsam ein- oder ausfährt).
  • Die Aktoren der Pneumatik sind meist Pneumatik-Zylinder. Sie bestehen aus einem im Wesentlichen geschlossenen Rohr, der innen von einer dicht sitzende Scheibe geteilt wird. An der Scheibe sitzt die Zylinderstange (der Kolben). Durch Zuführen von Druckluft in eine der beiden Zylinderhälften (und Abführen der Abluft der anderen) kann die Scheibe und somit der Zylinderkolben verfahren werden. Zylinder existieren in vielen Bauarten, es gibt aber auch andere Aktoren wie z. B. pneumatisch angesteuerte Zählwerke.

Ein weiterer interessanter Teilbereich der Pneumatik ist die Fluidik: Schalten und Steuern mit strömenden Medien (Gase wie Luft oder auch Flüssigkeiten). Das besondere an dieser Variante ist, dass Fluidik-Ventile für Logikschaltungen keinerlei bewegliche Teile benötigen, sondern ihre Funktion ausschließlich durch geschickte Ausformung von Strömungskanälen bilden. Dabei ist nicht der Druck das wesentliche Signal, sondern die Strömung des Mediums. Das funktioniert bei pneumatischer Fluidik schon mit einem Druck von nur 100 mbar, benötigt kein Öl zur Schmierung und lässt die Ventile sich durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit selbst reinigen. Erst wenn am Ende der Steuerung große Kräfte benötigt werden, werden die Fluidik-Signale in die Standard-Pneumatik oder Elektrik umgesetzt.

Pneumatik berührt die Physik-Gebiete der Mechanik, Kinematik und Thermodynamik (komprimierte Luft wird warm), Strömungslehre sowie das mathematische Gebiet der Logik bei Logikschaltungen in pneumatischen Steuerungen und damit die boolesche Algebra.


Grundlagen der Pneumatik mit fischertechnik

  • Der fischertechnik-Kompressorist klein und leise, aber leistungsfähig. Er wird mit 9 V Gleichspannung betrieben und liefert ca. 1 bar Druck und genügend Durchsatz, um eine große Bandbreite an Funktionsmodellen zu betreiben.

  • Der Pneumatik-Tank speichert Druckluft. Er ist das pneumatische Gegenstück zum Kondensator in der Elektronik.

  • Leicht mit der Schere abzulängende Schläuche, T-Stücke zur Verteilung von Druckluft auf mehrere Schläuche sowie Stopfen zum Verschließen von Anschlüssen sorgen dafür, dass die Druckluft an den richtigen Stellen zur Verfügung steht.

  • Das Manometer ist ein Messgerät für den Luftdruck. Mit seiner Hilfe werden pneumatische Vorgänge noch besser verständlich gemacht.
fischertechnik Druckluftspeicher
  • Zu den Ventilen zählt auch die Drossel, die Druckluft einstellbar stark oder schwach durchlässt. Damit erst fährt ein Pneumatik-Zylinder in der gewünschten Geschwindigkeit ein oder aus, oder füllt sich ein Volumen erst nach und nach mit Druckluft. Sie entspricht dem Widerstand in der Elektronik.

  • Das Rückschlagventil lässt Druckluft nur in eine Richtung durch. Das wird für den Selbstbau einer Druckluftquelle verwendet, aber es lässt auch einen Zylinder in eine Richtung schnell und nur in die andere gedrosselt arbeiten. Das ist das pneumatische Gegenstück zur Diode in der Elektronik.

  • All das passt sich natürlich perfekt ins fischertechnik-System ein, sodass nicht nur die grundsätzlichen Funktionen der Pneumatik dargestellt werden, sondern robuste und realistische Funktionsmodelle von Maschinen hergestellt werden können.
fischertecnik Kompressor
  • Das fischertechnik-Handventil ist ein „4/3-Wegeventil“ – es enthält vier Anschlüsse für Zuluft, Abluft und zwei Ausgänge für Zylinder und beherrscht drei Schaltstellungen. Damit kann man z. B. einen Zylinder einfahren, ausfahren oder in einer gegebenen Position festhalten lassen.

  • Das Magnetventil erlaubt es, ein Pneumatik-Ventil elektrisch zu schalten. Durch diese Verbindung können weitere Arten von maschinellen Steuerungen hergestellt werden – bis hin zu computergesteuerten pneumatischen Maschinen.

  • Verschiedene Pneumatik-Zylinder verrichten die Arbeit: Zweifachwirkende Zylinder werden mit Druckluft in beide Richtungen (aus- und einfahren) aktiv bewegt. Einfachwirkende Zylinder besitzen eine eingebaute Rückhol-Feder. Sie werden durch Druckluft ausgefahren und kehren durch die Feder automatisch in die Grundstellung zurück, sobald die Druckluft entfällt.
fischertechnik Teile

Weiterführende Informationen

Pneumatik allgemein:

•    Freriks, Rochus: Pneumatik-Grundlagen.
•    Lüthje, Christian: Grundlagen Pneumatik (PDF-Download). Verbundzentrale des Gemeinsamen Bibliotheksverbunds, Göttingen.
•    induux international GmbH: Pneumatik. Stuttgart, 2019.
•    fluid.de: Druckluft. verlag moderne industrie GmbH, Landsberg.

Pneumatik mit fischertechnik:

•    Falk, Stefan: Pneumatik (Folien zum Workshop, PDF-Download). Auf: Karlsruher Technik-Initiative, Arbeitsmaterialien. Karlsruhe, 2017.
•    fischertechnik Community: Pneumatik.
•    ft:pedia: Artikelübersicht (dort nach „Pneumatik“ suchen). Verschiedene Autoren (die ft:pedia ist eine vierteljährlich erscheinende PDF-Zeitschrift von und für fischertechnik-Fans).

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