Strong Pneumatics

Die Kraft aus der Luft

Ein wenig Geschichte

Schon im dritten Jahrhundert v. Chr. beschäftigte sich der griechische Mathematiker und Erfinder Ktesibios mit Druckluft und den dadurch entstehenden spannenden Möglichkeiten. So entwickelte er erste, mit Druckluft betriebene Maschinen, wie zum Beispiel ein Katapult, das mit Druckluft Kugeln und Speere fortschleuderte.

Eine sehr bekannte Druckluftanlage ist die von Heron von Alexandria, welcher mit dem Altarfeuer Druckluft erzeugte und somit die großen Tempeltüren wie von Geisterhand zum Öffnen brachte. Durch die Wärme des Altarfeuers wurde die Luft in einem Druckbehälter erwärmt, welcher zur Hälfte mit Wasser befüllt war. Erwärmt man Luft, dehnt sie sich aus und der Luftdruck steigt. Die sich ausdehnende Luft brauchte mehr Platz und drückte das Wasser aus dem Druckbehälter in einen Wasserbehälter, welcher sich durch die Gewichtszunahme absenkte und somit die Türen öffnete.

Seit Anfang des 20. Jahrhunderts wird Pneumatik als Antriebs- und Steuerungstechnik in der Industrie eingesetzt. In der Baumaschinen- und Landmaschinenindustrie wird das Thema Pneumatik z. B. zum Antrieb von Hämmern und Bohrern angewandt. Auch in der Fördertechnik findet die Saug- und Druckpneumatik z. B. in Getreidemühlen beim Ansaugen von Getreide und bei der Beförderung von Mehl ihre Anwendung. Sogar in der Musikindustrie finden wir Pneumatik, z. B. im Orgelbau. In einem Pianola, einem selbstspielenden Klavier, werden die Tasten pneumatisch gesteuert. In der Automobilindustrie, der Textil- und Lebensmittelindustrie, der Elektrotechnik, sogar im Weltall und in vielen weiteren Bereichen des Alltags findet man Anwendungen der Pneumatik.

Welche Vorteile bietet die Pneumatik?

Die Vorteile der Pneumatik sind, dass ...

Druckluft gespeichert werden kann
Druckluft über große Entfernungen durch Rohre und Schläuche oder in entsprechenden Behältern transportiert werden kann
Druckluft sauber ist und keine Verschmutzungen verursacht
mit Druckluft Bewegungen schnell ausgeführt werden können
mit Pneumatikzylindern viele Bewegungen ohne aufwändige Mechanik realisiert werden können
sie explosionssicher ist

Diese Vorteile und viele weitere interessante Informationen wollen wir dir mit dem Baukasten Strong Pneumatics erläutern. Zudem wollen wir dir aufzeigen, wie die pneumatischen Komponenten funktionieren. Dazu erklären wir Schritt für Schritt die einzelnen Bauteile und zeigen wie sie arbeiten. Außerdem sind im Baukasten zahlreiche Modellbeispiele enthalten, die darstellen, wie Pneumatik eingesetzt werden kann.

Eine pneumatische Anlage besteht aus fünf Teilsystemen.

Drucklufterzeugung
Druckluftverteilung
Druckluftaufbereitung
Bewegungserzeugung durch Pneumatikzylinder
Steuerung der Bewegung durch Ventile

Druckluft kann mit einem Kompressor, Verdichter oder einer Luftpumpe erzeugt und in Druckluftflaschen und anderen Druckbehältern gespeichert werden.

Die Membranpumpe als Kompressor

Dein fischertechnik Kompressor ist eine Membranpumpe. Sie liefert dir die nötige Druckluft, mit der du die einzelnen Modelle steuern kannst. In der Industrie spricht man von der Druckluftquelle.

Funktionsweise:
Eine Membranpumpe besteht aus zwei Kammern, die durch eine Membran getrennt sind, daher kommt auch der Name des Bauteils. In der einen wird die elastische Membran durch einen Kolben und einen Exzenter auf- und ab bewegt. Beim Abwärtshub wird die Membran nach hinten gezogen und in der zweiten Kammer wird über das Einlassventil Luft angesaugt. Beim Aufwärtshub des Kolbens drückt die Membran die Luft über das Auslassventil aus dem Pumpenkopf hinaus.

Hinweis:
Der vom Kompressor erzeugte Überdruck beträgt ca. 0,7 bis 0,8 bar. Die Membranpumpe ist wartungsfrei. Es ist wichtig, dass du als Stromversorgung für den Kompressor eine 9 V-Alkaline-Batterie verwendest. Noch besser eignet sich natürlich das fischertechnik Accu Set, das wesentlich mehr Leistung als der 9 V-Block hat, viel länger hält und immer wieder aufgeladen werden kann.

Druckluftverteilung
Die blauen Schläuche sind die Transportmittel der Druckluft. Sie transportieren die Druckluft dorthin, wo sie benötigt wird. Du kannst die Luftleitungen vom Kompressor bis zu den Ventilen und Zylindern legen.

Druckluftaufbereitung
Damit in der Industrie die Pneumatik Komponenten richtig funktionieren ist es wichtig, dass die Druckluft entsprechend aufbereitet wird. Dazu muss die Luft gefiltert, gekühlt, entfeuchtet und falls vorhanden das Öl entfernt werden. Bei den Modellen des Baukastens Strong Pneumatics ist dies allerdings nicht notwendig.

Pneumatikzylinder

Um mit Luft Bewegungen zu erzeugen, verwenden wir Pneumatikzylinder. Man unterscheidet grundsätzlich zwischen „einfachwirkenden“ und „doppeltwirkenden“ Zylindern. Im Baukasten Strong Pneumatics sind zwei verschieden große Pneumatikzylinder mit gleicher, „doppeltwirkender“ Funktionsweise enthalten.

Die blaue Kolbenstange ist beweglich und der Zylinder abgedichtet. Bläst man durch einen der beiden Schlauchanschlüsse Luft in den Zylinder, bewegt sich die Kolbenstange. Bläst man auf der gegenüberliegenden Seite hinein fährt der Kolben zurück. Der Kolben kann also in beiden Bewegungsrichtungen aktiv arbeiten. Der Anschluss, über den man die Kolbenstange ausfährt, wird als Anschluss A bezeichnet, der Anschluss zum Einfahren nennt man Anschluss B. Da die Kolbenstange des Zylinders, mit Luft sowohl aus- als auch
eingefahren werden kann, nennt man den Zylinder „doppeltwirkender Zylinder“. Um dies in der Praxis anzuschauen führe einen Versuch durch.

Versuch:
Befestige an dem Anschluss A eines Zylinders ein Stück des blauen Schlauches und verbinde ihn mit dem Schlauchanschluss des Kompressors, der bereits an den Batteriehalter angeschlossen ist. Wenn du den Kompressor dann einschaltest fährt die Kolbenstange aus. Da es ein doppeltwirkender Zylinder ist, fährt der Kolben wieder zurück, wenn du den Schlauch an den Anschluss B ansteckst und mit dem Kompressor wieder Druckluft zuführst.

Wie bereits erwähnt gibt es aber auch „einfachwirkende Zylinder“. Bei diesen Zylindern kann sich die Kolbenstange nur in eine Richtung bewegen. Für die Bewegung in die andere Richtung verwendet man oft eine Feder.
Um zu zeigen, dass man Luft zusammendrücken kann führe einen weiteren Versuch durch.

Versuch:
Jetzt fährst du den Kolben des Zylinders nochmal aus indem du wieder deinen blauen Schlauch, der mit dem Kompressor verbunden ist, an den Anschluss A ansteckst und Druckluft zuleitest. Nachdem die Kolbenstange ausgefahren ist, wechselst du den Schlauchanschluss auf B und hältst dabei den Anschluss A mit dem Finger zu.

Beobachtung:
Die Kolbenstange lässt sich nur ein kleines Stück hineindrücken. Weißt du auch warum?

Erklärung:
Da du mit deinem Finger den Luftanschluss A zugehalten hast, kann die Luft im Zylinder nicht entweichen. Aber die Luft lässt sich zusammendrücken. Aus diesem Grund wurde die Kolbenstange ein bisschen hineingedrückt. Je mehr Luft zusammengepresst wird, desto größer wird der Druck im Zylinder. Diesen Druck kann man mit einem Manometer messen. Die Einheit für den Druck ist „bar“ oder „Pascal“. Die Höhe des Drucks lässt sich auch berechnen. Die Formel zur Berechnung der Höhe des Drucks lautet:

Druck = Kraft/Fläche oder kurz gesagt p = F/A
Mit der Formel kannst du erkennen, dass die Höhe des Drucks davon abhängig ist, wie viel Kraft man auf die runde Fläche im Zylinder ausübt.

Wie du in deinen Versuchen erkannt hast, ist es ziemlich umständlich, die Schläuche immer wieder umzustecken. Diese Arbeit wird dir von Ventilen abgenommen, die dir im nächsten Kapitel genau erklärt werden.

Ventile

In der Pneumatik hat ein Ventil die Aufgabe, den Luftstrom zum Pneumatikzylinder so zu steuern, dass der Zylinder entweder aus- oder einfährt. Ein Ventil kann man mechanisch, elektrisch, pneumatisch oder von Hand betätigen.
Im Baukasten Strong Pneumatics sind Handventile enthalten. Diese Ventile besitzen jeweils vier Anschlüsse:

Über den mittleren Anschluss wird die Druckluft vom Kompressor zugeführt. Der linke oder rechte Stutzen steuert die Druckluft zum Anschluss oder Anschluss des Zylinders. Der Anschluss an der unteren Seite des Ventils dient als Entlüftung. Durch diesen entweicht die Luft, die vom Zylinder zurückkommt. Um die Funktionsweise des Ventils zu testen führe folgenden Versuch durch.

Versuch:
Verbinde den Kompressor, der bereits an den Batteriehalter angeschlossen ist, mit einem deiner Ventile. Nimm dazu ein Stück des blauen Schlauches und befestige ihn am Schlauchanschluss des Kompressors und am Anschluss P des Ventils. Die anderen Anschlüsse lässt du frei. Stelle den blauen Schalter des Handventils auf die Mitte und schalte den Kompressor ein.

Beobachtung:
Es passiert überhaupt nichts.

Erklärung:
Wenn du den Schalter des Handventils auf die Mitte stellst, sind die Anschlüsse verschlossen und die Luft kommt nirgends durch.

Nächster Versuch:
Drehe den Schalter des Ventils nun nach rechts und schalte wiederum den Kompressor ein. Tippe währenddessen mit einem Finger immer auf die freigelassenen Stutzen A und B. Mache dasselbe, wenn du den Ventilschalter nach links gedreht hast.

Beobachtung:
Die Luft strömt immer durch den Anschluss A wenn du den blauen Schalter des Ventils nach rechts drehst und durch den Anschluss B wenn du den Schalter nach links drehst.

Erklärung:
Die Abbildung hilft dir zu verstehen, wie die Luft durch das Ventil fließt, wenn du die Schalter in die verschiedenen Richtungen drehst. Der blaue Strich ist hierbei die Druckluft, die durch das Ventil strömt. Die schwarzen Linien zeigen dir, wie die Luft fließt, die vom Zylinder zurückkommt.

Das Ventil besitzt also vier Anschlüsse und drei Schaltstellungen (Mitte – Links – Rechts). Aus diesem Grund wird das Ventil in der Pneumatik als 4/3-Wege-Ventil bezeichnet.

Abluftdrossel

Bist du schon mal im Garten auf den Wasserschlauch gestanden oder hast diesen geknickt? Wenn ja, dann hast du dabei bestimmt festgestellt, dass plötzlich weniger Wasser aus dem Schlauch kommt. Aber warum ist das so? Durch den Knick im Schlauch hat das Wasser weniger Platz zum Fließen, es wird also gedrosselt und somit langsamer. Genau dasselbe passiert in der Pneumatik, wenn die Luft im Transportmittel, in unserem Fall dem blauen Schlauch, eingeengt wird und weniger Platz zum Durchdringen hat.
Du fragst dich nun vielleicht, wieso wir das überhaupt gewollt machen sollten?
Durch das Drosseln der Luft, können die unterschiedlichen Bewegungen langsamer und kontrollierter ausgeführt werden.

Industriell eingesetzte Pneumatik wird meistens mit einem Druck zwischen 6 und 8 bar betrieben. Damit können Pneumatikzylinder bei Bedarf sehr kräftig und vor allem sehr schnell ausfahren. Oft wird zwar eine kräftige, aber langsame und kontrollierte Bewegung benötigt. Eine zu schnelle Bewegung könnte Maschinenteile, zu handhabende Werkstücke oder auch Menschen gefährden.
Um Zylinder also langsam zu verfahren, wird die Druckluft gedrosselt. Wir lassen weniger Luft pro Zeit durch einen Schlauch oder eine Leitung strömen, indem wir einfach den Querschnitt der Leitung verengen.

Versuch:
Baue das Funktionsmodell und führe die folgenden Versuche durch:

Drossle die Abluft nicht, indem du die blaue Schraube nur so weit in das Gehäuse eindrehst, dass der Schlauch nicht zusammengedrückt wird. Beobachte, wie schnell der Zylinder aus- oder einfährt.
Drossle nun die Abluft immer mehr, indem du die blaue Schraube schrittweise immer weiter eindrehst. Beobachte den Zylinder wieder. Was fällt dir auf?

Du siehst, die Abluftdrossel hilft dir dabei, die Aus- oder Einfahrgeschwindigkeit des Zylinders einzustellen.

Jetzt wollen wir das, was wir gerade gelernt haben, an selbst aufgebauten Modellen, die auch in der Realität oft pneumatisch ausgeführt werden, genauer betrachten. Dazu bauen wir nacheinander die Modelle auf und machen dazu jeweils ein bis zwei Versuche, um noch besser zu verstehen wie alles funktioniert.

Scherenhubtisch

Hubtische werden als Hilfsmittel genutzt, um schwere Lasten zu heben. Sie werden vor allem bei der Verladung von Werkstücken eingesetzt. Eine solche Hebebühne besteht aus einem Grundrahmen, auf welchen die Last gelegt werden kann. An diesem sind die gleich langen Scheren befestigt. Diese Scheren bewegen sich im Mittelpunkt einer Achse, die ebenfalls am Grundrahmen befestigt ist.

Um den Aufbau des Scherenhubtisches richtig zu verstehen baue dir, wie in der Bauanleitung beschrieben, das erste Modell auf.

Scherenhubtisch – Aufgabe 1:

Nachdem du den Kompressor angeschlossen und die Schläuche, wie in der Bauanleitung beschrieben, verlegt hast, drehe den blauen Schalter des Ventils nach rechts. Was passiert? Der Scherenhubtisch geht nach oben. Aber warum?

Da du die Schläuche in deinem Modell so angeschlossen hast, dass vom Stutzen A deines Ventils die Druckluft zum Anschluss A des Zylinders geführt wird, fährt der Kolben des Zylinders aus. Durch dieses Ausfahren wird die Mittelachse des Hubtisches nach rechts geschoben, die Scheren damit aufgerichtet und nach oben gedrückt.

Du kannst die Hebebühne wieder nach unten bewegen indem du das Ventil auf die linke Seite drehst und der Kolben des Zylinders somit wieder eingefahren wird.

Scherenhubtisch – Aufgabe 2:
Was passiert jetzt aber, wenn der Scherenhubtisch eine größere Last wie z. B. eine Tasse oder ein Buch zu tragen hat? Kannst du die Hebebühne noch nach oben fahren lassen? Versuche herauszufinden, mit welchem Gewicht du die Hebebühne belasten kannst, damit sie das Gewicht gerade noch anheben kann. Trage hierzu die Werte in die nächste Tabelle ein.

Scherenhubtisch – Aufgabe 3:
Hast du eine Idee wie die Hebebühne noch schwerere Gewichte heben kann? Überlege dir, wie die Hebeleistung des Scherenhubtisches vergrößert werden kann.

Lösung:
Wenn die Kraft eines Zylinders nicht ausreicht, um schwerere Lasten zu heben, dann nimm dir einen zweiten Pneumatikzylinder dazu. Baue, wie in der Bauanleitung gezeigt, den zweiten Zylinder in die Hebebühne ein und schließe ihn gemäß dem dort abgebildeten Schlauchplan an. Wiederhole Scherenhubtisch – Aufgabe 2 mit deinem neuen Modell und analysiere, was sich verändert hat.

Im Kapitel „Pneumatikzylinder“ hast du gelernt, dass die wirkende Kraft vom Druck und von der Fläche, auf die der Druck wirkt (runde Fläche im Zylinder) abhängt. Da der Druck, den der Kompressor erzeugt, konstant ist, müssen wir die Fläche, auf die der Druck wirkt, vergrößern. Dies erreichen wir indem wir zwei Zylinder verwenden. Somit kann der Druck auf die doppelte Fläche (zwei runde Zylinderflächen) wirken. Dadurch verdoppelt sich auch die Kraft und damit das Gewicht, das man anheben kann. Das heißt wir können mehr Kraft durch mehr Fläche erzeugen.

Spannvorrichtung

Habt ihr zuhause einen Schraubstock? Dann kannst du damit hervorragend Teile einspannen, die du bearbeiten möchtest. Feilen, bohren oder einfach nur zusammendrücken. Eigentlich ganz praktisch, wenn man dabei nicht immer so lange kurbeln müsste. Du merkst schon, wir brauchen eine pneumatische Lösung.

Spannvorrichtung – Aufgabe 1:
Entwickle und baue dir eine eigene pneumatische Spannvorrichtung mit einem Zylinder (ohne Bauanleitung). Hast du eine Idee, wie das funktionieren könnte? Falls nein, findest du unseren Vorschlag in der Bauanleitung.
Nachdem du das Modell aufgebaut hast, hast du bestimmt auch schon den Kompressor eingeschaltet und am Schalter des Ventils gedreht.

Schalter nach rechts = Spannen
Schalter in Mittelstellung = Spannung halten
Schalter nach links = Spannung lösen

Wenn du den Kompressor wieder ausgeschaltet hast, kannst du mit Aufgabe 2 ein Werkstück (Baustein 30) fachmännisch korrekt in deiner pneumatischen Spannvorrichtung festklemmen.

Spannvorrichtung – Aufgabe 2:
Kompressor ist ausgeschaltet.

Ventilschalter in Mittelstellung drehen
Werkstück einlegen.
Kompressor einschalten
Ventilschalter nach rechts drehen
Ventilschalter in Mittelstellung drehen
Kompressor ausschalten

Jetzt ist dein Werkstück für eine Bearbeitung pneumatisch eingespannt.
Du wirst fragen: „Wozu den Schalter in Mittelstellung bringen?“
Jeder pneumatische Anschluss und jede Leitung verlieren ein wenig Luft. In der Mittelstellung ist die Leitung zum Kompressor getrennt und der Druckluftverlust von dieser Seite reduziert.

Um beim ersten Modell die Spannvorrichtung ganz zu öffnen, musstest du den Kompressor wieder einschalten. Das ist umständlich – findest du nicht? Im ersten Modell war dein Kompressor ohne Luftspeicher, direkt an den mittleren Anschluss des Handventils angeschlossen. In unserem nächsten Modell bauen wir nun zwei Luftspeicher ein. Das bedeutet für das folgende Modell, dass die Druckluft vom Kompressor nicht direkt zum Handventil, sondern zu den weiteren Zylindern geleitet wird. Diese Zylinder werden folglich mit Druckluft gefüllt und speichern diese.

Baue nun in dein einfaches Modell zwei Zylinder als Luftspeicher ein. Wenn du nicht genau weißt, wie du die Luftspeicher in dein Modell einbauen sollst, nimm dir deine Bauanleitung zur Hilfe.

Lege nach dem Umbau des Modells dein Werkstück (Baustein) in die Spannvorrichtung ein. Drehe den Schalter des Handventils in die mittlere Stellung. Schalte den Kompressor ein und beobachte wie sich die Kolben im Zylinder nach oben bewegen, während sie sich mit Druckluft füllen. Gibt der Kompressor einen gleichmäßigen Brummton von sich, so hat sich ausreichend Druck aufgebaut und du kannst in wieder ausschalten.
Jetzt kommt der Moment, für den sich der Umbau gelohnt hat.

Spannvorrichtung – Aufgabe 3:
Ventilschalter ist in Mittelstellung, Druckspeicher ist gefüllt und der Kompressor ist ausgeschaltet.

Werkstück einlegen
Ventilschalter nach rechts drehen
Ventilschalter in Mittelstellung drehen –> Werkstück ist festgespannt
Zum Entspannen musst du einfach den Ventilschalter nach links drehen

Beobachtung:
Hast du den Unterschied zum ersten Modell bemerkt? Der Zylinder ist beim Entspannen komplett zurückgefahren, ohne den Kompressor nochmals einzuschalten. Du kannst sogar noch ein zweites Mal dein Werkstück spannen und entspannen. Weißt du auch warum?

Erklärung:
Dein Kompressor kann in den zwei Zylindern zusätzliches Luftvolumen auf Vorrat speichern und bei Bedarf an den Spannzylinder abgeben.
All diese Themen und Versuche haben dir nun die Welt der Pneumatik nähergebracht. Du siehst, die Pneumatik hat es ganz schön in sich und ist sehr interessant. Im nächsten Kapitel kannst du dich den Spielmodellen des Baukastens Strong Pneumatics zuwenden.

Der Baukasten Strong Pneumatics enthält neben den Funktionsmodellen drei weitere Modelle mit spannenden Spielfunktionen. Es handelt sich hierbei um die realitätsnahen Modelle Frontlader, Baumstammgreifer und zweifacher Kreiselschwader. Auch hier baust du den Kompressor wieder in dein Modell ein und verbindest ihn mit deinen Pneumatikventilen und -zylindern. Über die Handventile hast du dann z. B. die Möglichkeit die Greifarme deines Baumstammgreifers von Hand zu steuern. Auch die Abluftdrossel steuert durch die Möglichkeit, die Schnelligkeit der Bewegungen zu steuern, zu einer realitätsnahen Abbildung bei.

Funktionen wie diese werden in der Realität allerdings nicht pneumatisch, sondern mit Hilfe der Hydraulik ausgeführt. In der Hydraulik verwendet man Öl anstatt Luft um die Zylinder zu bewegen. Im Gegensatz zur Luft lässt sich Öl nicht zusammendrücken wodurch wesentlich höhere Kräfte übertragen werden können. Für deine Spielmodelle des Baukastens Strong Pneumatics reicht die Kraft der Pneumatik aber völlig aus. Sie ist außerdem besonders sauber, schnell, zuverlässig und vor allem spannend.

Viel Spaß beim Bauen und Spielen.