Seifenblasenmaschine

Seifenblasen erfreuen nicht nur Kinder, sondern auch das Herz der holden Weiblichkeit. Zum einem der vergangenen Geburtstage meiner Liebsten bekam diese schon einmal eine Seifenblasen-Pistole. Die wurde zum absoluten Renner. Aber schnell kam der Wunsch nach etwas größerem und noch mehr Seifenblasen auf.

Gute Seifenblasenmaschinen gibt es zwar bereits ab 50€ käuflich zu erwerben, aber in meiner Werkstatt fanden sich noch einige Motoren sowie Lüfter und eine gehörige Portion Tüftlerdrang. Daher musste die Maschine selbst gebaut werden!

Aufbau Gehäuse:

Die meisten industriell gefertigen Seifenblasenmaschinen besitzen einen Propellerähnlichen Rotor, an dem die Seifenblasenringe befestigt sind. Dies hat den Vorteil der einfachen Konstruktion, jedoch bleibt immer sehr viel Fluid im Behälter zurück und die Ringe können sich nicht mehr komplett mit dem Fluid benetzen. Daher entschied ich mich für eine Art Trommelwalze an der die Ringe befestigt werden. Diese Trommel dreht sich nur wenige Millimeter über den Boden des Fluidbehälters und hat somit bis zum Schluss die möglichkeit die Ringe vollständig zu benetzen.

erster CAD Entwurf

Gleichzeitig ist der Punkt an dem die Trommel den Gehäuseboden tangiert der tiefste, so dass das restliche Fluid stets dort hin läuft und komplett aufgebraucht werden kann. Dafür wurde der Boden links und rechts der Trommel leicht angeschrägt und unterhalb der Trommel mit einem etwas größerem Radius als der der Trommel gebogen.

CAD Entwurf

Über dem "Seifenblasenauslass" befinden sich die beiden Potis zur Drehzahlstellung sowie der Ein/Aus - Schalter. Der Motor ist hier nicht eingezeichnet. Dieser wird an der Außenwand befestigt.

CAD Entwurf

Die Seitenteile wurden allesamt mit dem Boden verklebt, so dass eine sehr stabile Acrylglaskonstruktion zu stande kommt. Der hintere Hohlraum dient als Tank für das Fluid. Über einige Bohrungen gelangt dieses in die Senke und kann von der Trommel aufgenommen werden.

Acrylglas-Gehäuse

Acrylglas-Gehäuse

Gelagert wurde die Trommel einseitig direkt am Motor und auf der anderen Seite in einem Kugellager. Das Kugellager ist vor allem wichtig, da die Maschine auch mobil mit Batterien betrieben werden soll und daher nur ein kleiner Motor mit geringem Drehmoment zum Einsatz kommt. Der Motor stammt aus einem Schaufenster-Werbeartikel bei welchem eine Farbscheibe vor einer Lampe gedreht wurde, um so das Werbeschild verschiedenfarbig zu beleuchten.

Motor und Lüftersteuerung:

Da es sich bei dem Motor um eine einphasige Synchronmaschine handelt, muss aufgrund der gewünschten Batterieversorgung ein Drehfeld erzeugt werden. Der kleine Motor benötigt maximal 6V effektiv und setzt dabei 1,5W bei einer Nennfrequenz von 50Hz (5 rpm mit Getriebe) um. Da 5 Umdrehungen pro Minute nicht allzu viel sind, soll zusätzlich die Drehzahl gestellt werden können. Das bedeutet, das erzeugte Drehfeld soll in der Frequenz variiert werden.

Um aus einer Gleichgröße eine Wechselgröße für den Motor zu erzeugen, wird dieser an eine vollgesteuerte H-Brücke angeschlossen. Für den Aufbau einer H-Brücke gibt es verschiedene Konzepte, wobei ich folgendes feststellen musste. Bei der üblichen Verwendung von je zwei p-ch und n-ch Mosfets, wobei jeweils ein p-ch und ein n-ch mit dem Gate verbunden sind, kommt es während der Kommutierung des Stromes zum Kurzschluss der Versorgungsspannung. Das passiert, da die Mosfets noch eine gewisse Zeit brauchen um komplett zu sperren bzw. ihre Kanäle von Ladungsträgern zu befreien (räumen der Kapazitäten).

Strom-Kommutierung der H-Brücke

Abhilfe lies sich nur schaffen, indem für die Ansteuerung der H-Brücke jedes Gate separat angesteuert wurde und damit eine gewisse Zeitverzögerung implementiert werden kann. Die Ansteuerung erfolgt mittels eines kleinen AVR Mikrocontrollers (ATtiny24A).

Schaltplan:


Schaltplan

Die Drehzahl des Motors und die des Lüfters sollen extern über zwei Potentiometer eingestellt werden können. Dazu werden zwei ADC-Eingänge des AVRs eingelesen und in abhängigkeit der Spannung die Drehzahl gestellt. Für den Lüfter geschiet das über die Veränderung des Effektivwerts der Spannung (PWM) und für den Synchronmotor über die Frequenzstellung des Drehfeldes. Der Motor läuft zwar auch mit 5V Effektivwert, allerdings zeigten sich damit gelegentlich Aussetzer bei sprunghafter Drehfeldänderung. Abhilfe schaffte eine etwas sanftere Frequenzänderung (max. 4ms Differenz der Periodendauer) im Programm.

Programmablaufplan

Das Programm für den ATtiny24 ist nicht sehr kompliziert. Es läuft eine Timer-Routine für den Hardware-PWM Ausgang welcher den Lüfter antreibt. Nebenbei werden die Ausgänge zu H-Brücke so geschalten, dass ein Drehfeld mit variabler Frequenz entsteht. Damit die oben genannten Kurzschlüsse während der Strompfadkommutierung nicht auftreten, sind zusätzliche Wartezeiten zwischen den Pegelwechseln der jeweiligen Gates einprogrammiert. Die Software ist unten als Anhang zum Herunterladen hinterlegt.

Seifenblasentrommel:

Die Seifenblasentrommel besteht im Prinzip nur aus einer Welle mit einer aufgeklebten Acrylglasscheibe sowie den Seifenblasenringen. Zu Beginn des Projektes wurden dazu einige Versuche durchgeführt, was sich am Besten als Ringe zur Seifenblasenerzeugung eignet. Optional wäre der Kauf vieler kleiner Seifenblasendosen mit Pusteringen gewesen. Allerdings sollte es ein kompletter Eigenbau werden. So wurden zunächst verschiedene Materialien ausprobiert:

- Pfeiffenreinigerbürsten mit weichen, kurzen Borsten
- Pfeiffenreinigerbürsten mit harten, langen Borsten
- Blumendraht mit Fäden ummantelt
- dicke Schnur (in Kleber eingelegt und aushärten lassen)

Die Ergebnisse waren sehr unterschiedlich. So fiel der Blumendraht mit Fadenmantel sehr schnell aus, da die Fäden verrutschten und die Herstellung pro Ring sehr aufwändig ist. Die dicke Schnur, welche vorher in Kleber eingelegt und ausgehärtet wurde war danach nicht mehr im Stande genug Fluid aufzusaugen um einen stabilen Fluid-Membran zu erhalten. Ein wenig besser wurde das Ergebnis durch erneutes aufrauhen der gehärteten Schnur, aber auch hier wäre die Herstellung für die ganze Trommel zu langwierig gewesen.

Das Beste Ergebnis erzielte der weiche Pfeiffenreiniger mit kurzen Borsten. Dieser kann genug Fluid aufsaugen um sogar mehrere Blasen aus einer Membran zu erhalten, wohingegen der Reinigungsdraht mit den etwas härteren und teilweise langen Borsten zu schnell an Fluid verliert und ständig tropft.

Der Vorteil des Pfeiffenreinigers ist eindeutig die Drahtseele, womit sich die Ringe sehr einfach biegen lassen. Nachteilig ist, dass die Ringe das Fluid so sehr aufsaugen, dass die Borsten bei Trocknung der Ringe teilweise verkleben und das die Ringe nach dem Trocknen anfangen Rost anzusetzen.. Beheben lässt sich ersteres Problem, indem man vor oder besser nach dem Benutzen der Seifenblasenmaschine die Trommel kurz unter Wasser abspült. Gegen den Rost der Drahtseele habe ich bisher noch kein Mittel gefunden, weshalb auch über neue Alternativen der Ringgestaltung nachgedacht wird.

Die Finale Version der Trommel besteht aus einem Stück HT-Rohr von 110 mm Durchmesser. In dieses Rohr wurden Löcher unterschiedlichen Durchmessers gebohrt (28-34mm). Im eingebauten Zustand strömt die Luft vom Lüfter durch die Löcher und lässt so Seifenblasen entstehen.

Seifenblasenmaschine im Einsatz

Die Schaumbildung kommt nur selten zu Stande, bei starkem Gegenwind bzw. sehr langer Betriebsdauer (wie hier auf dem Bild lief die Maschine schon zwei Stunden.

Fazit:

Der Aufbau funktioniert besser als ich mir es vorgestellt habe. Durch die große Oberfläche neben den Löchern in der Trommel ist genügend Fluid benetzt um mehrere Seifenblasen pro Loch zu erzeugen. Allerdings entstehen die Seifenblasen nicht wie erwartet durch die Löcher, sondern durch die Rest-Stege der Trommel (siehe Video). Der Effekt ist dennoch der selbe, es entstehen sehr viele Seifenblasen

Die Verwendung des Synchronmotors für die Trommelbewegung birgt jedoch die Gefahr der Drehrichtungsänderung. Bei zu hoher mechanischer Belastung könnte der Motor hängen bleiben und die Drehrichtung ändern. Dadurch entsteht sehr viel Seifenschaum, da die Seifenblasen nicht mehr aus der Maschine treten können. Daher ist eine Reibungsarme Lagerung der Welle unabdingbar.

Video:

folgt...

Projekt abgeschlossen: 02.08.2013

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