Manovellismi per "coffe machine" a cialde - Quaderni di progettazione - Nuovamacut
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Quaderni di progettazione
g Elvio Bonisoli - Dipartimento di Ingegneria Gestionale e della Produzione – Politecnico di Torino
Manovellismi
per “coffe machine” a cialde
La progettazione di macchine per espresso casalinghe ha visto in questi ultimi anni diverse soluzioni tecniche
basate sul ben noto meccanismo biella-manovella utilizzato per la movimentazione della cialda.
Sebbene sembri a prima vista un meccanismo ormai standardizzato e privo di caratteristiche innovative, un’analisi
più approfondita attraverso le più moderne tecnologie CAD/CAE riserva una varietà di soluzioni diverse su cui ci si
sofferma per identificare i criteri di progettazione e un confronto tra diverse soluzioni disponibili in commercio
(Cortesia Lavazza)
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Fig. 1 – Alcune macchine per espresso da casa disponibili in commercio
Fig. 2 – Alcuni cinematismi
traslativi (in alto) e roto-
traslativi (in basso)
A
ncora una volta il ben noto meccani-
smo biella-manovella. Smontando al-
cune macchine per la preparazione
del caffè espresso da casa, ci si imbatte in
un meccanismo fondamentale nel convertire
il moto rotatorio, ottenuto dalla leva di carica-
mento, alla traslazione della cialda in posizio-
ne di erogazione e … 30 secondi di attesa per
un ottimo caffè !
L’analisi presentata è focalizzata a partire da
tre diverse soluzioni tecniche da un punto di
vista cinematico e tecnologico. In primo piano
si possono distinguere i criteri progettativi e i
classici compromessi di una ingegnerizzazione
minimalista e ottimizzata per quanto riguarda f con movimentazione composta di rotazio- f il punto morto di sicurezza nel serraggio
il numero di componenti della distinta base, ne angolare e movimentazione lineare del- finale e la centratura della cialda contro la
l’utilizzo di componentistica standardizzata e i la cialda. doccetta devono evitare perdite e trafila-
materiali economici. In particolare domina l’uti- Tra le soluzioni puramente (o quasi) traslative, menti in fase di erogazione del caffè.
lizzo di materie plastiche, con ruolo strutturale, sicuramente il sistema biella-manovella è sta- Limitando l’analisi alle soluzioni con la sola tra-
anche se i requisiti funzionali e prestazionali di to ampiamente utilizzato in quanto robusto sia slazione del portacialda rappresentata dalle tre
queste macchine non sono banali: semplici- dal punto di vista dell’affidabilità, sia del man- macchine rappresentate in Figura 1, si distin-
tà e robustezza del dispositivo, compattezza, tenimento delle proprietà cinematiche e del guono due regioni angolari di possibili utilizzo
materiali e tecnologie produttive economiche, recupero dei giochi. I requisiti che questi ci- del cinematismo (rispettivamente intorno al
temperature di esercizio intorno ai 90°C, eleva- nematismi devono avere come obiettivo per punto morto superiore PMS o inferiore PMI)
ta sollecitazione di pressione durante l’eroga- rendere semplice, affidabile e preciso il mec- che sfruttano le seguenti caratteristiche cine-
zione con requisiti di tenuta, necessità di for- canismo di movimentazione della cialda sono: matiche:
nire il primo e il cinque millesimo caffè nomi- f l’angolo della leva azionata dall’utente e il f una velocità di avanzamento del portacialda
nalmente uguali. relativo range devono avere valori ergono- inizialmente elevata (con una eventuale pic-
mici e compatibili con gli ingombri generali cola rotazione del portacialda ottenibile con
Requisiti cinematici della macchina, un parametro di disallineamento),
e soluzioni tecniche f la cialda deve essere posta in modo paral- f un accostamento nella posizione di fondo
I dispositivi esistenti sul mercato per la movi- lelo alla disposizione in condizione di eroga- corsa con velocità ridotta e, quindi, precisa,
mentazione manuale della cialda nelle macchi- zione del caffè, f una condizione finale di impuntamento del
ne da caffè casalinghe possono essere classi- f la cialda deve essere avvicinata alla regione cinematismo, conseguente al superamen-
ficati in due famiglie: di erogazione (definita doccetta) in modo to di una configurazione a velocità nulla
f con manovellismo caratterizzato da movi- progressivo e con movimento lento e pre- (punto morto) per evitare in modo assolu-
mentazione lineare della cialda; ciso nel finale, to una potenziale apertura involontaria dalla
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Fig. 3 – Cinematismo biella-
manovella con nomenclatura
e riferimenti cinematici
Fig. 4 – Caratteristiche
parametriche del
cinematismo biella-
manovella
doccetta devono evitare perdite e trafila-
menti in fase di erogazione del caffè.
I meccanismi di rototraslazione presenti in
commercio presentano tipicamente un moto
disaccoppiato prima di rotazione (qualitativa-
mente lineare) e successiva traslazione con
moto analogo ai cinematismi biella-manovella
con velocità iniziale più elevata e accostamen-
to più lento per la configurazione di erogazione
caffè. In rari casi si ha contemporaneamente
spostamento e rotazione del gruppo in un mo-
to composto. Nella transizione tra rotazione
e traslazione sono evidenti problematiche di
Fig. 5 – Range cinematici dei manovellismi possibili urti o leggeri impuntamenti che pos-
sono essere ridotti attraverso una progettazio- l’eventuale disallineamento del cinematismo,
condizione di erogazione caffè. ne accurata della transizione e possibili accor- lo spostamento del portacialda (Fig. 3) risulta:
Nelle soluzioni roto-traslative la cialda viene gimenti per recuperare eventuali giochi.
posta in macchina dall’utente con asse quasi Ancora una volta il cinematismo biella-mano- x B = r cos + 2 − (sin − 2
verticale e subisce poi una rotazione all’inter- vella è il cuore del sistema.
no della macchina prima della fase di eroga-
zione del caffè. I fondamenti del meccanismo In pratica, questa formula dimostra che il
Per rendere semplice, affidabile e preciso il Per comprendere come il meccanismo biella- meccanismo biella-manovella è in grado di
meccanismo di movimentazione della cialda, manovella abbia valide motivazioni della sua modulare, durante la rotazione, la massima
i requisiti da ottimizzare possono essere così grande diffusione, non solo per quanto riguar- distanza raggiungibile dalla sola manovella:
riassunti: da i motori a combustione interna, si introdur- all’aumentare della lunghezza della biella lo
f l’angolo della leva azionata dall’utente ed il rà una sola equazione che descrive lo sposta- spostamento e la velocità dell’estremo del
conseguente angolo di rotazione della cial- mento lineare della testa di biella l (punto B), portacialda tendono a diventare sempre più
da all’interno della macchina devono avere in funzione della rotazione ϑ della manovella r prossimi a forme sinusoidali; al contrario, più
valori ergonomici e compatibili con gli in- intorno al punto fisso O. le dimensioni di biella e manovella sono con-
gombri generali della macchina, Definendo frontabili, più il moto periodico differisce da
f il rotazione della cialda deve essere progres- un moto sinusoidale. Analoghe considerazioni
sivo e privo di urti, affinché la cialda non ca- l possono essere delineate per la velocità del
=
da e si disponga in modo non ottimale du- r punto B, la velocità massima cresce marca-
rante il movimento, tamente quando il rapporto di allungamento
f la cialda deve essere avvicinata alla doccet- l’inverso del cosiddetto “rapporto di allunga- è prossimo all’unità.
ta in modo progressivo e con movimento mento” e Da questa proprietà deriva l’immediata appli-
lento e preciso nel finale, cazione nel convertire il moto rotatorio in un
f il punto morto di sicurezza nel serraggio h moto controllato di avanzamento, nel caso
=
finale e la centratura della cialda contro la l specifico, del portacialda.
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Fig. 7 – Modelli
funzionali 3D delle tre
macchine in esame
razione di erogazione caffè. L’adimensionaliz-
zazione dello spostamento e della velocità del ticamente superiore, ma costituita da due sta-
porta cialda, rappresentate nella Figura 6 per di di conversione), il confronto tra la soluzione
i tre cinematismi, è definita considerando lo rossa e quella blu porta a una valutazione ci-
spostamento del punto B riferito allo sposta- nematicamente superiore per il caso blu, poi-
mento massimo (100%). Similmente, per la ché viene sfruttato un range angolare più ido-
rotazione della manovella, si considera l’an- neo (PMI), nonostante un rapporto di allunga-
golo minimo (0%) e massimo (100%) che la mento più svantaggioso.
manovella può compiere nel cinematismo
considerato. Per la velocità del portacialda si Le soluzioni tecniche
considera come riferimento (100%) la velocità Per l’analisi cinematica precedente e per la
media costante per percorrere la corsa com- valutazione tecnica dell’industrializzazione del
Fig. 6 – Confronto adimensionale tra i cinematismi piuta dal cinematismo. prodotto, sono stati sviluppati i modelli funzio-
Il grafico dello spostamento indica come i ca- nali tridimensionali delle macchine, riprodu-
Si precisa inoltre che, a differenza del classi- si rosso e blu abbiano un andamento simi- cendo nel dettaglio le caratteristiche geome-
co utilizzo a 360° della manovella, il cinemati- le (spostamento in percentuale vs. rotazione triche e i materiali impiegati.
smo può essere applicato anche nel caso in della manovella in percentuale), mentre per Nelle fasi di smontaggio e nel realizzare i mo-
cui la manovella sia più lunga della biella (r > l); il caso nero si verifica che gran parte dello delli funzionali tridimensionali dei tre cinema-
in quest’ultimo caso il manovellismo avrà un spostamento del punto B si ha dopo solo il tismi, si sono osservate scelte progettative
campo angolare di lavoro ridotto, assumendo 60% della rotazione della manovella, durante non sempre allineate.
il ruolo di un bilanciere. la seconda parte della rotazione quindi il porta- I materiali plastici dominano sui pochi elemen-
cialda non si muove, o comunque lo sposta- ti strutturali quali perni e, in alcuni casi, bielle.
Confronto adimensionale mento è molto limitato, conseguente all’in- Pochi elementi elastici devono garantire il re-
Poiché le forme delle cialde disponibili in com- troduzione di un secondo stadio di riduzione cupero dei giochi e, naturalmente, garantire
mercio sono uno degli elementi importanti (sempre riconducibile a un biella-manovella) tenuta dopo il superamento del punto mor-
dal punto di vista brevettuale, coinvolgendo tra leva di comando e manovella. to e, quindi, dell’impuntamento del sistema.
rapporti di forma e dimensioni piuttosto diver- Negli andamenti delle velocità del punto B nei Il primo manovellismo mostra un buon livello
si, per poter confrontare i dispositivi è fonda- tre sistemi è subito evidente come il mano- di industrializzazione, dal punto di vista della
mentale utilizzare tecniche di adimensionaliz- vellismo nero permetta di raggiungere velo- riduzione del numero dei componenti e della
zazione nel trattare le lunghezze dei dispositi- cità molto elevate nella prima parte (nell’ordi- semplicità di assemblaggio.
vi, la corsa e la velocità del portacialda. ne di più del 300% della velocità di confron- Il secondo manovellismo presenta scelte pro-
Le regioni angolari sfruttate dalle tre macchine to costante), per poi mantenere una veloci- gettuali e componentistiche con alcuni limiti
in esame (indicate con la regione rossa, blu tà praticamente nulla per circa il 40% della sulla leggerezza del cinematismo, un nume-
e nera) sfruttano regioni angolari qualitativa- rotazione conclusiva della manovella. Invece ro maggiore di componenti e di elementi ela-
mente simili intorno al PMS in due casi (ran- nei rimanenti manovellismi si ha una velocità stici e, infine, ingombri del cinematismo non
ge compreso tra 90° e 200°), mentre la rima- superiore al 100% per la prima parte di rota- particolarmente ridotti. La cinematica imposta
nente sfrutta il PMI (range da 230° a 360°). zione della manovella, e una velocità inferio- risulta superiore al primo e inferiore al terzo.
La figura 5 evidenzia le diverse regioni con re al 100% che si annulla solo alla fine per la Il terzo manovellismo sembrerebbe una evo-
una freccia per indicare il verso di rotazione seconda parte di rotazione. luzione del primo, presenta sottogruppi e se-
del cinematismo per raggiungere la configu- Escludendo quindi la soluzione nera (cinema- quenze di assemblaggio molto simili. Anche i
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Fig. 8 – Spostamenti e tensioni equivalenti di Von Mises di uno dei modelli funzionali 3D
luzione del primo, presenta sottogruppi e se- no apprezzare gli spostamenti e le sollecita- f per cinematismi con rototraslazione della
quenze di assemblaggio molto simili. Anche zioni equivalenti di Von Mises su uno degli cialda, un angolo di rotazione della cialda
i due gruppi cinematici di movimentazione assiemi. Come fisicamente ragionevole, si ϕ di circa 60°;
della cialda sono realizzati con tecnologie e delinea un allungamento del telaio nella zo- f in questo tipologia di cinematismi, rota-
materiali simili, ma hanno disegno diverso, na della doccetta e analoga compressione zione molto dolce a velocità decrescente
come se il terzo cinematismo, con un nume- del cinematismo che impuntandosi sul tela- di rotazione in modo da evitare urti a con-
ro di componenti maggiore e, quindi, con un io, tende a deformare la parte inferiore del clusione della fase.
disegno più complesso, fosse una evoluzio- telaio stesso. f In conclusione, si può affermare che il
ne o perfezionamento del primo. Dal punto di vista tensionale, rimangono evi- meccanismo di movimentazione compo-
denti nel caso illustrato le due bielle partico- sto angolare e traslativo della cialda pos-
Verifiche e dimensionamento larmente sollecitate, in quanto trasmettono sa essere percepito dall’utente come una
Una volta verificata la parte cinematica con la spinta del vapore nel portacialda sul perno caratteristica al tempo stesso utile e gra-
l’approccio rigoroso analitico, si possono di manovella e, quindi, al telaio. Non a caso, dita dal punto di vista ergonomico e fun-
simulare i comportamenti cinematici con a differenza di tutti i rimanenti componenti in zionale.
i modelli funzionali tridimensionali. Sicura- materiali plastici, le due bielle sono gli unici Nell’analisi delle diverse soluzioni si è visto
mente i tipici approcci multi-body integrati elementi in acciaio ottenuti per tranciatura. come si possano soddisfare i requisiti espo-
in ambienti CAD/CAE possono fornire im- In tutti i cinematismi analizzati l’opportuno di- sti sopra per rendere semplice, affidabile e
mediatamente anche le differenze ottenu- mensionamento di irrigidimenti e nervature preciso il meccanismo di movimentazione
te tenendo in conto delle cedevolezze degli permettono l’ottimale trasferimento dei ca- della cialda.
elementi elastici sul cinematismo. richi e un elevato sfruttamento dei materiali. Tenendo conto che i meccanismi considera-
Inoltre, in configurazione di evaporazione del ti devono essere prodotti in quantità elevate
vapore, si possono utilizzare i tipici approcci Conclusioni ed inseriti in macchine con un costo globale
multi-body e di discretizzazione agli elementi Dall’impostazione cinematica delle proprietà molto limitato, gli schemi e i modelli funzio-
finiti per la determinazione delle forze sca- del manovellismo biella-manovella e dall’a- nali devono tendere a una progettazione che
ricate sui vincoli esterni (al telaio) ed interni nalisi comparativa effettuata, si possono de- riduca al massimo il numero di componenti
(tra i singoli componenti) e per l’analisi del- sumere le linee guida di progettazione con necessari per realizzare il movimento.
le deformazioni e delle tensioni interne dei cui orientare l’impostazione cinematica e E tutta questa attività di progettazione e otti-
componenti. lo sviluppo industriale di innovativi mecca- mizzazione ingegneristica per degustare alla
Le condizioni di sollecitazioni del manovelli- nismi di caricamento di cialde in macchine fine un ottimo prodotto, tipicamente italiano
smo sono considerevoli: la pressione eser- per espresso casalinghe: e apprezzato in tutto il mondo: un buon caffè
citata dal vapor acqueo sul fondo della cialda f un azionamento ergonomico con rotazio- espresso! ■
preme la doccetta e il manovellismo verso ne della leva di comando ϑ al massimo © RIPRODUZIONE RISERVATA
l’impuntamento. di 90°;
Si può considerare cautelativamente una f uno spostamento della cialda con veloci- Ringraziamenti
pressione di 15 bar sulle superfici del porta- tà inizialmente piccola, poi crescente nel- Parte del materiale è tratto dalle tesi di laurea
cialda e della doccetta a causa delle cadute la zona centrale e ancora decrescente con di Fulvio Tortoreto, Francesco Rossiello e Fa-
di pressione rispetto alla pressione imposta accostamento a velocità molto bassa nella brizio Dotta, discusse al Politecnico di Torino
dalla pompa. fase finale di bloccaggio della cialda con- nel 2010. Si ringraziano il prof. Stefano Tor-
La permeazione ottimale del vapore nella tro la doccetta; nincasa, coordinatore del progetto, e il Prof.
cialda permette di raccogliere sul beccuc- f se possibile, contemporanea rotazione e Vittorio Vicentini che insieme hanno fornito
cio il caffè erogato. traslazione del portacialda con cinemati- diversi spunti e suggerimenti per lo svilup-
A titolo di esempio, nella figura 8 si posso- smo composto e integrato; po del lavoro.
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