Projekte

Wiederum haben die Lernenden Polymechaniker vollen Einsatz bei der Herstellung und den erfolgreichen Start's der Raketen geleistet.

Projektarbeit im 2.Lehrjahr

Im Sommer 2018 fing das vermeintlich nicht sehr grosse Projekt an. Wir gliederten die einzelnen Arbeitsschritte in Teilabschnitte nach der IPERKA-Methode.

Informieren

Die Baupläne für den Flammenfresser „NICK“ bestellten wir im Internet. Einige Zeit später hielten wir diese in den Händen. Das Problem: Die Zeichnungen waren relativ rudimentär gehalten. Die meisten der Abmasse und Toleranzen mussten interpretiert werden, was die Vorbereitungsphase in die Länge zog. Im Internet fanden sich einige Videos und Bilder, wie der fertige Flammenfresser im besten Fall in Zukunft aussehen soll.

Planen

Da die Zeichnungen bereits vorhanden waren, mussten wir uns vorerst über die Konstruktion keine Gedanken machen. Da die Bemassung allerdings mangelhaft oder gar nicht vorhanden war, mussten wir diese ergänzen und die nötigen Toleranzen setzen.Ziel des Projektes war es, zwei Flammenfresser mit Hilfe der Baupläne zu bauen. Anschliessend sollten einige Details, welche bei den Prototypen nicht funktionierten, mit den gewonnen Erkenntnissen neu konstruiert werden.

Entscheiden

Nach dem Abschluss der Planungsphase mussten wir entscheiden, welche Teile auf konventionellen Maschinen oder auf CNC Maschinen hergestellt werden.

Realisieren

Nach dem Abschluss der Entscheidungsphase konnten wir mit dem Herstellen der einzelnen Teile beginnen. Dabei konnte ein Grossteil der Teile konventionell hergestellt werden.

Schwierige Teile:

Es gab einige Teile, die besondere Sorgfalt in der Fertigung verlangten. Der Zylinder und der dazu passende Kolben mussten genau aufeinander angepasst werden. Die Passform dieser beiden Teile ist entscheidend für die Funktion des Motors. Die Kurbelwelle, welche verlötet wurde, musste exakt ausgerichtet werden, um einen guten Rundlauf zu gewährleisten.

Einige Bauteile mussten auf einer CNC-Maschine hergestellt werden. So zum Beispiel die Schwungräder oder die beiden Lagerböcke. Diese Teile wurden von den Polymechanikern im 3. Lehrjahr hergestellt. Diese CNC- Teile wurden teilweise später umkonstruiert, dass sie ebenfalls konventionell hergestellt werden können.

Montieren

Nach der Fertigung der Teile erfolgte nun die Montage, wobei sich erste Probleme zeigten.

Der Brenner:

Als erstes bauten wir die Teile des Brenners zusammen. Die Seitenwände des Tanks wurden angelötet. Durch die dabei entstandene Hitze verformte sich dieser. Ausserdem waren die Lötstellen grösstenteils sehr unsauber. Nach einigen erfolgslosen Versuchen, durch Sandstrahlen das Aussehen des Tanks zu retten, kamen wir zum Schluss, dass die Teile des Brenners nicht durch Löten zusammengefügt werden können. Also mussten die Teile erneut gefertigt werden, mit dem Ziel diese zu kleben. Eine saubere Lösung, welche optisch schön aussieht und dazu auch noch praktisch ist.

Der Motor:

Die Montage des Motors gestaltete sich ähnlich wie die des Brenners. Einige Teile, wie etwa der Schornstein oder die Halterung des Zylinders, die nach Bauplan eigentlich gelötet werden müssten, wurden geklebt, da sich Löten bereits beim Brenner nicht als vorteilhaft erwiesen hat. Das kleben dieser Teile war allerdings ein Fehler, wie wir bald feststellen mussten…

Alle anderen Teile konnten ohne grössere Probleme montiert werden. Obwohl durch die doch sehr kleinen Bauteile oftmals besonderes Fingerspitzengefühl gefordert war.

Kontrollieren

Erstes Anlassen

Nach der Montage der einzelnen Baugruppen konnte der Motor das erste Mal angeworfen werden. Die Spannung war natürlich gross, aber wir mussten bald feststellen, dass der Motor wohl noch einige Zeit in Anspruch nehmen sollte. Da der Motor relativ heiss wird, schmolz der Kleber der die Zylinderhalterung sowie den Schornstein zusammen hielt. Deshalb haben wir uns dazu entschieden, den Schornstein zu löten und die Zylinderhalterung zu verschrauben.

Zweites Anlassen

Nach dem gescheiterten 1. Versuch und einigen Optimierungen, konnten wir den Motor erneut anwerfen. Auch hier lief noch nicht alles, wie wir uns das vorstellten. Die folgende Zeit verbrachten wir also mit analysieren, ausprobieren, neu machen und wieder ausprobieren.

Mal liefen die zwei Motoren ohne Probleme, dann lief mal nur der eine und nicht selten verweigerten gar beide den Dienst.

Auswerten

Kleine Ursache, grosse Probleme

Die doch sehr unzuverlässig laufenden Motoren stellten uns nicht zufrieden. Wir suchten an allen möglichen Stellen nach Fehlern. Wir verbesserten kleinste Details, um ein optimales Ergebnis zu erzielen. Doch die Motoren liefen noch immer eher bescheiden.

Es stellte sich heraus, dass der Kolben sehr passgenau sein muss, um genügend dicht zu sein. Der verbaute Kolben war also nicht dicht genug, weshalb wir einen passgenaueren Kolben aus Titan sowie aus Grauguss herstellten.

Daraufhin lief zumindest einer der beiden Motoren nahezu perfekt. Beim anderen Motor stellte sich heraus, dass der Kolben im Zylinder noch zu viel Reibung hat, weshalb der Motor nicht lief. Einen Einstich in der Mitte des Kolbens behob dieses Problem.

Nach vielen Stunden optimieren und etlichen ratlosen Momente bekamen wir die Motoren schliesslich zum Laufen.

Tuning und Finish:

Um die Tourenzahl des Motors zu steigern, kann mittels der Einstellschraube für das Rückschlagventil einiges gemacht werden. Der Schieber sollte leichtgängig laufen, die Einstellungen am Exzenter sind allerdings nicht ganz so relevant, wie wir zunächst angenommen haben.

Zum Schluss bekamen alle Aluminium Teile eine individuelle Eloxalschicht, die Schwungräder lackierten wir in einem klassischen ROT.

Tipps und Tricks:

Zum Schluss noch einige Details, die uns während dem Bauprozess aufgefallen sind.

 - Passgenauer, dichter Kolben mit möglichst geringer Reibung.

 - Kolben darf zunächst ruhig etwas schwergängig laufen. Mit einem mittigen Einstich kann die Reibung vermindert werden, was zu einem optimalen Ergebnis führt.

 - Reibungsfreier Schieber, gute Dichtigkeit des Schiebers.

 - Guter Rundlauf der Achsen, damit die Schwungräder rund laufen.

 - Öl ist meistens zu viel und kann zu Misserfolg führen!

 - Sollte die Ventilkugel, bzw. die Einstellschraube magnetisch sein, ist die Funktion beeinträchtigt!

Die Erkenntnisse unseres Prototyps, haben wir mit neuen Werkstattzeichnungen dokumentiert. Somit kann zukünftig der Flammenfresser »SPACE « genau nach Zeichnung herstellen werden.

FAZIT

Nie aufgeben, gut analysieren und die Erkenntnisse gezielt umsetzten. Wir haben trotz vielen Umwegen unser Ziel erreicht, nach dem Motto:

«der Weg ist das Ziel «.

Durch diverse Konstruktionsänderungen und Feineinstellungen haben wir zwei funktionierende Flammenfresser hergestellt.

Gian Baumann / Jan Heidegger

Projektabschlussarbeit der Grundausbildung 1. Lehrjahr

Im August 2016 begannen wir mit unserer Berufslehre als Polymechaniker. In den ersten sechs Monaten absolvierten wir unsere Grundausbildung und fertigten als Abschlussarbeit einen Stirling-Motor. Die Zielsetzung war, dass wir dieses Projekt selbständig erarbeiten und am Ende des Projektes zwei funktionierende Stirling-Motoren vorweisen können. Für dieses Projekt hatten wir einen Monat Zeit. Nachdem wir das Dossier mit der Anleitung zum Erstellen eines Stirling-Motors erhalten haben, mussten wir dieses erstmal durcharbeiten und einen Zeitplan erstellen. Unsere Ausbildner Matthias Ulrich und Adrian Jenk griff uns ein bisschen „unter die Arme“ und händigte uns noch die Zeichnungen vom Stirling-Motor aus. Er half uns auch beim Erstellen der Arbeitspläne. Diese zusätzliche Zeit konnten wir dann gut bei der Teilefertigung nutzen. Da wir einige Arbeitstechniken in der Grundausbildung noch wenig angewendet hatten, konnten wir durch das Erarbeiten dieses Projektes viel Wissen erwerben und üben, üben, üben.

Der Motor besteht grundsätzlich aus einem Verdrängerkolben, Arbeitskolben, Schwungrad, Sockel und mehreren Pleueln. Bei diesem Projekt war die Auswahl der Materialen und die Präzision sehr wichtig. Die Präzision spielte vor allem beim Arbeitskolben und dem Deckel des Motors eine grosse Rolle. Hätten wir eine zu hohe Toleranz gewählt, wäre die Dichtigkeit (Luftdicht) nicht mehr gewährleistet gewesen. Die Toleranzen beim Erstellen eines Stirling-Motors sind sehr klein (0.01mm – 0.03mm) damit dieser auch einwandfrei funktioniert. Der Arbeitskolben ist eng toleriert, damit gleiten und geringer Luftverlust garantiert sind.

Mit der Teilefertigung sind wir rasch vorangekommen. Der Zusammenbau benötigte mehr Zeit, als wir angenommen hatten. Schon fast am Ende angelangt, mussten wir noch einen Fehler beheben. Wir haben für das Schwungrad das falsche Material gewählt. Das Rad wurde mit Messing zu schwer und drehte sich nicht. Wir mussten deshalb das Schwungrad nochmals aus Aluminium herstellen, damit es leicht wird und hofften, dass es sich diesmal dreht.

Am Schluss haben wir alle Einzelteile zu einem Stirling-Motor montiert. Der Test verlief sehr positiv und alles hat super funktioniert!

Wir danken Matthias Ulrich und Adrian Jenk, Abt. IAP für die Betreuung und Unterstützung bei der Fertigung des Abschlussprojektes.

Luca Jäger, Jan Zehnder

•  Funktion Stirlingmotor
• Video

Das Modell 

Das Projekt Transit Planetenmodell wurde im Auftrag von Prof. Dr. Willy Benz durch die Polymechanikerlernenden Lorenz Tschumi und Sebastian Aellig realisert.

Das Transit Planetenmodell soll die Funktionsweise des Satelliten Cheops (Teleskop) auf einfache Art aufzeigen. Dabei wird die sogenannte Transitmethode angewendet. Sie vermisst präzise den Durchmesser von ausgewählten Exoplaneten. Damit lässt sich zusammen mit der Masse des Himmelskörpers die Dichte des Planeten bestimmen. Diese Dichte wiederum verrät, ob der Planet aus Stein, Eis oder Gas besteht und wie seine Atmosphäre beschaffen ist. All dies sind unentbehrliche Kriterien, um mehr über Lebensfreundlichkeit oder -feindlichkeit eines Himmelskörpers zu erfahren.

•  Transitmethode

•  Wie findet man ferne Planeten?

Das Video simuliert die Teleskopaufnahmen des um die Erde kreisenden Satelliten Cheops zu Exoplaneten mit der Umlaufbahn um einen Stern.

• Video

«CHEOPS» ist die erste Kleinmission der Europäischen Weltraumorganisation ESA und wird gemeinsam mit der Schweiz durchgeführt. Die Universität Bern nimmt dabei eine führende Rolle ein: Im Auftrag des Swiss Space Office (SSO) koordiniert sie die Mission, und Astrophysiker Willy Benz fungiert als «Principal Investigator».

Die Universität Bern ist bei der «CHEOPS»-Mission der ESA sowohl für die Koordination als auch für die technische und wissenschaftliche Durchführung verantwortlich. Dies umfasst die Entwicklung des wissenschaftlichen Instruments von «CHEOPS», den Aufbau von dessen «Träger», dem Bodensegment, sowie die wissenschaftliche Auswertung der Mission.

«CHEOPS» ist ein kleiner Satellit, der rund 250 Kilogramm wiegt und ein Teleskop von 30 Zentimeter Durchmesser und eineinhalb Meter Länge trägt, das am CSH der Uni Bern zusammengebaut wird. Er soll bereits 2017 in eine erdnahe Umlaufbahn geschossen werden, wo er in 800 Kilometer Höhe über dreieinhalb Jahre rund 700 helle Sterne ausserhalb unseres Sonnensystems untersucht und ihre Planeten charakterisiert.

Modell

Im Auftrag von Prof. Dr. Willy Benz erstellten die Polymechaniker-Lernenden zwei Cheopsausstellungsmodelle im Massstab 1:2.

Mit viel Motivation stellten sich die Lernenden der Herausforderung. Viele Einzelteile konnten mit CNC- oder konventionellen Maschinen hergestellt werden. Die komplizierten und dünnwandigen Teile wurden aus Zeitgründen mit einem 3D-Printer hergestellt. Für den optischen Effekt mussten die Teile entsprechend beschichtet oder mit Folien abgedeckt werden.

• Uni Press
• Homepage Cheops
• Zu den Fotos

Was ist der Dopplereffekt

Wenn ein Krankenwagen mit Blaulicht und Sirene an uns vorbeifährt, können wir beobachten (oder besser hören), dass sich die Tonhöhe der Sirene oder auch des Motors beim Vorbeifahren ändert: Kommt der Wagen auf uns zu, hört sich die Sirene höher an, als wenn sich der Wagen von uns entfernt. Der Grund ist einfach: Nähert sich der Wagen uns, werden die Schallwellen der Sirene "zusammengedrückt", was zu einem höheren Ton führt. Entfernt sich dagegen der Wagen von uns, werden die Schallwellen gestreckt, was einen tieferen Ton verursacht. Die Änderung der Tonhöhe ist also nur ein Beobachtungseffekt. Für den Fahrer hört sich seine Sirene die ganze Zeit gleich an.

Herstellung des Dopplereffekter

Im Auftrag von Urs Lauterburg  konstruierten und fertigten die PM-Lernenden 10 Dopplereffektermodelle für die Studenten des physikalischen Unterrichts.

• Video

Die Verwendung

Dieses Projekt wurde ausschliesslich für den Unterricht der Physikstudierenden entwickelt. Mit diesem Fallversuch zeigen die Dozierenden den Studierenden die Zusammenhänge zwischen Beschleunigung, Geschwindigkeit und der zurückgelegten Strecke auf.

Diese Zusammenhänge wurden schon früher von Galileo Galilei entdeckt.

„Die zurückgelegte Strecke ist direkt proportional zum Quadrat der dazu benötigten Zeit“

Entwicklung und Konstruktion

Kai Bachofner (PM-Lernender, 4.Lehrjahr) war für die Konstruktion zuständig. Seine Aufgabe war es, die Wünsche des Auftragsgebers, wie Genauigkeit, Grösse und Gewicht, zu verwirklichen. Für die Entwicklung und Konstruktion der Fallrinne benötigte er mit langen Unterbrüchen für Abklärungen ca. vier Monate. Mit der Bestellung des Rohmaterials, welches mit Wasserstrahl und 5mm Materialzugabe zugeschnitten wurde, war die Aufgabe abgeschlossen.

Fertigung und Montage

Für die Produktion waren Daniel Kunz, Gerhard Reubi (PM-Lernende, 2. Lehrjahr), Christian Märki (PM-Lernender, 3. Lehrjahr) Kai Bachofner und Olivier Högger (PM-Lernende, 4. Lehrjahr) zuständig.

Sehr viel Zeit wurde für das Fräsen der beiden Bahnen in Anspruch genommen. Die Schwierigkeit bestand darin, dass die Teile grösser waren als der Verfahrweg der Maschine. So mussten die Teile in drei bis vier Aufspannungen genau ausgerichtet werden, um eine übergangslose Bearbeitung zu erhalten, welches für das Abrollen der Kugel in der Rinne von grosser Wichtigkeit ist.

• Zu den Fotos

Olivier Högger