تصميم أجزاء رأس المجموعة V2
الجزء 1 - مقدمة وأوصاف.
بقلم بن شامبيون، مصمم المنتجات الرئيسي في Decent Espresso
في عام 2017، كجزء من تصميم آلة الإسبريسو DE1، شعرنا بالحاجة إلى إعادة النظر في كيفية عمل رؤوس المجموعة. في ذلك الوقت، كان مفهوم المساحة العلوية وحتى توزيع المياه في تصميم آلة الإسبريسو غير مستكشف إلى حد كبير.
كانت العديد من الآلات الحالية تحتوي على رشاشات بسيطة ذات فتحات قليلة أو برغي مركزي يدفع الماء إلى الخارج، متجاهلة أهمية تدفق المياه المتساوي. على سبيل المثال:
لمعالجة هذه المشكلة، بدأت أنا وزميلي راي هيزمان (المخترع الرئيسي لـ DE1) مهمة لإنشاء تصميم يضمن تدفق مياه أكثر اتساقًا وتوازنًا في حالات الاستخدام المختلفة.
استخدمنا محاكاة تدفق مكثفة لتطوير تصميم يعد بتدفق مرغوب من كل فتحة.
كانت التعليقات الأولية على هذه التصميمات إيجابية، مما أعطانا الثقة للمضي قدمًا في الإنتاج والشحن.
تعريف
المساحة العلوية هي مقدار المساحة الفارغة بين أعلى قرص القهوة وأسفل شاشة الرش. يتم ضبط المساحة العلوية من خلال المسافة التي تبرز بها أجزاء رأس المجموعة في السلة.
بالنسبة للدفعة الأولى المكونة من 300 آلة (DE1 v1.0)، أخطأنا في تقدير المساحة العلوية المثالية. ما زلنا نحقق استخلاصًا جيدًا، حيث تحدث العديد ممن راجعوا الآلة عن كيف أن القهوة كانت أفضل مذاقًا، مما أدى إلى استخلاص أعلى مع وضوح نكهة أفضل. ومع ذلك، كنا نسمع غالبًا تعليقات تقول إن آلتنا لا تستطيع تحقيق إسبريسو كثيف القوام مقارنة بالآلات الأخرى وأن أقراص القهوة لدينا كانت رطبة وفوضوية.
بدأ المجتمع في التجربة عن طريق إضافة فواصل بين الرش والشاشة، مما يقلل المساحة العلوية. أشارت تقارير هؤلاء المختبرين إلى أن هذا جعل الجرعات أكثر كثافة في القوام، مع أقراص قهوة أكثر جفافاً وقنوات أقل. بدأت ثلاث شركات في بيع مجموعات "فاصل الرش" لآلتنا لعلاج هذه المشكلة، وأصبحت المجموعات شائعة جدًا بين عملائنا.
إدراكًا لهذه المشكلة، قمنا على الفور بتقليل المساحة العلوية في طراز DE1 v1.1، مما يضمن مساحة علوية أكثر منطقية. منذ ذلك الحين، لم نغير تصميم رأس المجموعة في الإنتاج. ولكن على مدى السنوات الأربع الماضية، كنا نبحث في فهم وتحسين هذين الجانبين الحاسمين في آلة الإسبريسو: توزيع المياه والمساحة العلوية.
قبل الخوض في تفاصيل رحلتنا، دعنا نضع بعض المصطلحات الأساسية للمكونات الرئيسية المعنية. هذه مصطلحات يستخدمها مصنعو آلات الإسبريسو الآخرون أيضًا.
*
الجزء 2 - الجولة الأولى من الاختبارات.
بعد الإصدار الأولي لـ DE1 v1.0 ومن تجارب المجتمع، أدركنا أهمية ضبط المساحة العلوية بشكل صحيح. قادنا هذا الفهم الجديد إلى التركيز على التحقيق بدقة في هذه التفاصيل الحاسمة.
لإجراء هذه الدراسة، استعنا بخبرة شخصين بارزين في عالم Decent، ستيفان ريبس ولوكا كوستانزو. مجهزين بمجموعة من الأجزاء الجديدة، شرعنا في اختبارات مكثفة. تضمنت المكونات المقدمة لستيفان ولوكا نوعين مختلفين من الكتلة الداخلية ومجموعة مختارة من 14 تصميم رش جديد من ابتكاري.
من بين الرشاشات، تم تصميم التسعة الأولى (S1 إلى S9) لاستكشاف بروزات وفجوات مختلفة فوق الشاشة، مع كون S1 مطابقًا للأجزاء النحاسية. مثل رشان إضافيان (S11 و S12) تصاميم نموذجية موجودة في آلات أخرى، بينما عملت الثلاثة المتبقية (S10 و S13 و S14) كشاشات تجريبية. أنشأ ستيفان مخططًا شاملاً للمساعدة في التحليل.
مهد هذا الجهد التعاوني الطريق لفحص تفصيلي للمتغيرات التي هدفنا إلى اختبارها: البروز في السلة والمسافة بين الرش والشاشة. من خلال التدقيق الدقيق في هذه العوامل، سعينا إلى كشف العلاقة بين المساحة العلوية وتوزيع المياه وجودة الاستخلاص.
قد تتساءل لماذا جميع الأجزاء في الاختبار صفراء شفافة.
لأننا: تحولنا من استخدام النحاس إلى مادة بلاستيكية تسمى Ultem أو PEI.
يشرح جون الأساس المنطقي وراء هذا القرار بتفصيل كبير في الفيديو المرتبط أدناه. باختصار، هدفنا إلى تحسين دقة درجة الحرارة والتحكم أثناء عملية التخمير.
لم يكن هناك فائز واضح بين الرشاشات، عندما قمنا فقط بتغيير البروز والمساحة العلوية (S1 إلى S9). كان لدى المختبرين تفضيلات متنوعة، بعضهم فضل S1 والبعض الآخر فضل S9 - وهما الطرفان الأقصىان.
ومع ذلك، أظهر تصميم الرش المسمى S10 باستمرار نتائج واعدة طوال مرحلة الاختبار. بينما لم يتفوق دائمًا على التفضيلات الأخرى، إلا أنه تلقى باستمرار ردود فعل إيجابية من المختبرين. دفعنا هذه النتيجة المثيرة للاهتمام إلى إعطاء الأولوية لفحص دقيق لإمكانات S10 واستكشاف طرق لتحسينها بشكل أكبر.
نتيجة مهمة أخرى كانت أن تصميمات الرش النموذجية الشائعة الموجودة في آلات الإسبريسو الأخرى (S11 و S12) كانت أداؤها أسوأ بكثير من تصميمنا النحاسي. عزز هذا ثقتنا بأننا كنا على المسار الصحيح مع نهجنا.
كان الاكتشاف الأكثر بروزًا من مقارنة المواد. حتى مع نفس التوزيع والمساحة العلوية للأجزاء النحاسية، قدمت أجزاء Ultem مذاقًا أفضل بشكل ملحوظ. بالإضافة إلى ذلك، بقيت رؤوس المجموعة أنظف بمرور الوقت مع أجزاء Ultem.
تُظهر الصورة المقدمة رأس المجموعة المجهز بأجزاء Ultem، والتي بقيت نظيفة بشكل ملحوظ حتى بعد 100 جرعة بدون تنظيف. هذا النظافة وتجربة المذاق المحسنة عززت قرارنا بالابتعاد عن النحاس. ومع ذلك، واجهنا مشكلة مع أجزاء Ultem - فقد تشققت بعد الاستخدام.
في الختام، كشفت الجولة الأولى من الاختبارات أن الابتعاد عن النحاس كان نجاحًا كبيرًا. كما سلطت الضوء على أن المساحة العلوية لا تزال تتطلب مزيدًا من التحقيق. قد لا تكون هناك مساحة علوية مثالية لجميع المستخدمين. بالإضافة إلى ذلك، أظهر تصميم الرش S10 نتائج واعدة ويستحق مزيدًا من الاستكشاف.
الجزء 3 - الجولة الثانية من الاختبارات.
خلال هذا الوقت، أجرى ستيفان ريبس تجارب استخلاص شعاعي كشفت عن اختلافات كبيرة في الاستخلاص بين مركز وحواف قرص القهوة.
كان هذا الاكتشاف لحظة محورية في رحلتنا وألهمنا لاستكشاف إمكانيات جديدة في تصميم الرش لمواجهة هذا التحدي.
في هذه الشريحة، يظهر ستيفان كيف تختلف عمليات الاستخلاص بين 13% إلى 25% (أقراص إسبريسو عادية) إلى بين 22% إلى 25% (قرص مع ورق ترشيح)
بهدف تحقيق استخلاص أكثر تجانسًا عبر طبقة القهوة بأكملها، شرعنا في سلسلة من تصاميم الرش التجريبية. تضمنت بعض التصاميم تدفقًا تفضيليًا إلى الحواف الخارجية، بينما وجه البعض الآخر التدفق نحو المركز. من خلال هذه التجارب، سعينا إلى فهم التأثير المحتمل لأنماط التوزيع المختلفة على عملية الاستخلاص.
بالإضافة إلى ذلك، ظهر تطور مثير للاهتمام مع إدخال شاشة الرش Matrix. كان يُعتقد أن هذه الشاشة تحسن توزيع المياه بشكل كبير، لكنها كانت مصممة لرؤوس مجموعات E61، غير المتوافقة مع آلتنا. لاستيعاب ذلك، صممنا رأس مجموعة جديدًا متوافقًا مع شاشات E61 للجولة التالية من الاختبارات.
تضمنت حزمة الاختبار المرسلة إلى المختبرين تصميمين لرأس المجموعة: واحد مع برغي مركزي وآخر لشاشات E61. تضمنت 14 شاشة، مع سبع شاشات لكل مجموعة. لكل مجموعة، كانت شاشة واحدة مطابقة للأجزاء النحاسية، لتكون بمثابة عنصر تحكم. تم اختبار ثلاثة أنماط توزيع مختلفة (مركز، وسط، وخارج)، ولكل نمط، تم صنع تصميمين للمساحة العلوية. جميع هذه الأجزاء كانت مصنوعة من Ultem المقوى بالألياف الزجاجية، والذي كنا نأمل أن يعالج مشكلة التشقق.
أثناء الاختبار، اكتشفنا أن شاشات الرش التقليدية E61 بها عيب في التصميم، مما تسبب في تسرب المياه حول الحواف. تم تتبع هذه المشكلة إلى خلل في عملية التصنيع، وتحديداً فتحتين صغيرتين على الحافة تسببتا في ضعف التبلل الأولي.
إليك فيديو يوضح مشكلة التصميم في شاشات رش E61:
جعل هذا الاختبار صعبًا حيث لم نتمكن من مقارنة تصميمي رأس المجموعة في مقارنة A-to-B باستخدام نفس الشاشة على كلا التصميمين. وجدنا أيضًا أن شاشة Matrix لم تتناسب جيدًا مع آلة DE1، أعتقد أنك تحتاج إلى معدلات تدفق أعلى للحصول على أقصى استفادة من هذه الشاشة.
جربنا شاشات أخرى، مثل شاشة IMS DR305، لكننا لم نر فرقًا كبيرًا عن تصميم البرغي المركزي. بالنسبة لمعظم الاختبارات، التزمنا بتصميم البرغي المركزي حيث يمكنك تغيير المساحة العلوية، بينما تصميم E61 له مساحة علوية ثابتة. لم "نتخلى" عن تصميم E61، لكننا قررنا التمسك بتصميم البرغي المركزي في المستقبل المنظور.
من بين تصاميم التوزيع الثلاثة (التدفق التفضيلي للمركز، الوسط، والخارج)، لم يكن من المستغرب أن يكون تصميم التدفق التفضيلي للخارج هو المفضل.
أظهرت لنا تجارب الاستخلاص الشعاعي لستيفان أن الجزء الخارجي من القرص يحتاج إلى تدفق أكثر لموازنة الاستخلاص الكلي.
يظهر الاختبار الأحدث مع سلات جديدة ذات جوانب مستقيمة وفتحات تمتد إلى الحافة أن تصميم التدفق التفضيلي للخارج لا يزال مفيدًا.
فيما يتعلق بالمساحة العلوية، مرة أخرى لم يكن هناك فائز واضح بين التصميمين.
تم اتخاذ القرار باستخدام مساحة علوية تقليدية، نفس مساحة شاشة E61، وهي بروز أكثر بمقدار 1 مم (مساحة علوية أقل بمقدار 1 مم) من تصميمنا الحالي. ومع ذلك، لتلبية التفضيلات المختلفة، تم جعل رأس المجموعة متوافقًا مع نوعين من الشاشات: شاشة IMS CI200 القياسية وشاشة IMS SI200، وهي أطول وتضيف 2.0 مم إلى البروز، مما ينتج عنه مساحة علوية أقل بمقدار 2 مم. يتيح ذلك للمستخدمين تغيير الشاشة والعثور على أفضل تكوين لهم بتكلفة منخفضة جدًا وبمجرد تغيير الشاشة
فيما يتعلق بالمواد، فإن Ultem المقوى لم يتشقق. بدلاً من ذلك، التوى. لحسن الحظ، هناك مواد أخرى يمكننا تجربتها.
اختتم هذا الاختبار على التوزيعات والمساحات العلوية المختلفة.
على الرغم من أن المزيد من الاختبارات كانت مرغوبة، إلا أنها كانت عملية تستغرق وقتًا طويلاً. يمكن أن يكون اختبار ومقارنة جرعات الإسبريسو أمرًا صعبًا بسبب الاختلافات الطفيفة في المذاق، حتى عندما يتم كل شيء بشكل متطابق. هذا التباين يجعل من الصعب تحديد ما إذا كانت تغييرات التصميم الصغيرة تحسن المذاق لأن الاختلافات الطبيعية بين الجرعة والأخرى يمكن أن تطغى على تأثيرات التعديلات الفردية. غالبًا ما يتم الاعتماد على المقاييس الموضوعية مثل عائد الاستخلاص (EY) لأنها توفر طريقة أسهل لقياس التغييرات. ومع ذلك، يصبح التحسين التراكمي ملحوظًا عن طريق إجراء تغييرات تصميمية متعددة في الاتجاه الصحيح.
بعد كل اختباراتنا، اعتقدنا أننا قمنا بعدة تغييرات في الاتجاه الصحيح.
تم اتخاذ القرار بوقف الاختبار ووضع التحسينات التي وجدناها بالفعل في أيدي مستخدمينا.
الجزء 4 - اختيار المواد.
الآن عرفنا التصميم: التالي كان اختيار المادة المناسبة.
صممت مجموعة من المكونات، بما في ذلك كتلة داخلية جديدة ورش متوافق مع رأس المجموعة الحالي. أدمجت كل المعرفة التي اكتسبناها، ونفذت التدفق التفضيلي للخارج وضمنت التوافق مع كل من شاشات CI200 (نفس المساحة العلوية لـ E61) و SI200 (مساحة علوية أقل بمقدار 2 مم).
جميع المواد التي جربناها كانت لديها أوراق مواصفات مناسبة، كونها آمنة للطعام وقادرة على تحمل درجات حرارة التشغيل بسهولة.
في البداية، اخترت PEEK كمادة حيث بدت وكأنها البلاستيك المثالي. تأتي بتكلفة عالية جدًا ولكن لديها خصائص رائعة.
ومع ذلك، بعد بضع جرعات فقط، انتهى الأمر بالأجزاء المصنوعة من PEEK في حالة فوضوية، حتى بعد الشطف. لم تكن نظيفة مقارنة بـ Ultem.
بالنظر إلى بديل، توجهت إلى PTFE (المعروف أيضًا باسم تفلون)، وهي مادة غير لاصقة معروفة قادرة على التعامل مع درجات الحرارة العالية. افترضت أنها ستبقى نظيفة، لكنني كنت قلقًا بشأن مدى قوتها وصلابتها.
بعد عدة جرعات، بدت أجزاء PTFE أفضل من PEEK ولكن ليس جيدة مثل Ultem. كانت سهلة التنظيف نسبيًا ولكن بعد فترة بدا أنها تتلطخ.
ومع ذلك، واجهنا مشكلة كبيرة مع انحناء أجزاء PTFE.
على الرغم من هذه النكسة، قمنا بإرسال عدد من أجزاء PTFE إلى المختبرين وتلقينا ردود فعل إيجابية، مما أعطانا الثقة بأن الترقية كانت تستحق العناء.
استمرارًا في البحث عن المادة المناسبة، جربنا بعد ذلك PPSU، وهي مادة قوية وشفافة شائعة الاستخدام في المنتجات الآمنة للطعام مثل زجاجات الأطفال. مثل Ultem، هي غير متبلورة، لذلك توقعت أن تبقى نظيفة.
كانت أجزاء PPSU نظيفة جدًا، حتى قبل الشطف. ومع ذلك، على غرار Ultem، عانت من مشاكل التشقق.
بعد ذلك، استكشفنا PDVF، وهي مادة مشابهة لـ PTFE ولكن بصلابة أكبر.
كنا نأمل أن تبقى نظيفة مثل PTFE، وقد فعلت ذلك بالفعل. بعد شطف سريع، بدت أجزاء PDVF جميلة مرة أخرى.
لسوء الحظ، لم تكن قوية بما فيه الكفاية وأظهرت التواءً عند تعرضها لضغط بسيط.
اكتشفنا في النهاية PPS، وهي مادة مستخدمة بالفعل في صمامات آلات الإسبريسو، وإن كانت تسمى غالبًا بأسماء مختلفة من قبل شركات مختلفة، مثل "technopolymer". هذا إعادة التسمية قد أخرني في اكتشافها.
كانت خصائصها مثيرة للاهتمام. تتحمل PPS درجات حرارة عالية جدًا، مع نطاق طويل الأمد أعلى من 200 درجة مئوية، وهو أعلى بكثير من درجة حرارة التشغيل العادية لدينا. لديها استقرار أبعاد عالٍ جدًا، وتمدد حراري منخفض، وامتصاص منخفض جدًا للماء. مما يعني أنها لن تغير شكلها/حجمها مع الاستخدام، وهو غالبًا ما يكون مشكلة مع البلاستيك. مقاومتها الكيميائية معروفة بأنها ممتازة، وليس لها مذيب عضوي معروف تحت 200 درجة مئوية. إنها آمنة للطعام ومعتمدة من إدارة الغذاء والدواء الأمريكية (FDA). وهي متوفرة أيضًا باللون الأسود (عامل رائع!).
كانت لدينا آمال كبيرة على PPS، وبعد استخدامها لبعض الوقت، أظهرت عدم وجود علامات تشقق أو التواء أو انحناء. بقيت أجزاء PPS نظيفة، مماثلة لـ Ultem. بعد 100 جرعة - باستخدام أحلك الحبوب الزيتية التي يمكننا تحملها - بدت الأجزاء هكذا:
وشطف سريع أعادها إلى حالة جديدة تمامًا.
كانت هذه أكثر المواد الواعدة التي وجدناها وقررنا الانتقال إلى الخطوة التالية معها. اختبار الإجهاد! لدينا 3 آلات في هونغ كونغ تمر باستمرار بدورات الضغط ودرجة الحرارة:
تقوم آلات الإسبريسو هذه بحوالي 7500 دورة ضغط يوميًا (من 0 بار إلى 13 بار والعودة) و 750 دورة درجة حرارة (من حوالي 40 درجة مئوية إلى 90 درجة مئوية والعودة). نقوم بذلك لجميع الأجزاء في آلتنا. أكد لنا هذا الاختبار الصارم متانة الأجزاء.
خضعت هذه الأجزاء الداخلية لـ DE1 لـ 935,000 اختبار دورة ضغط، حتى الأسبوع الماضي.
حقيقة ممتعة: الجزء الذي يفشل في أغلب الأحيان هو سلة "العمياء" الفولاذية المقاومة للصدأ بدون ثقوب التي نقوم بتثبيتها في رأس المجموعة للحفاظ على الضغط. تفشل عادةً عند ~100,000 دورة ضغط، عند حافتها. إليك سلتان تشققتا، على الرغم من أن الأجزاء الداخلية لـ DE1 لا تظهر أي علامات فشل. لقد قامت آلات الاختبار الخاصة بنا بأكثر من مليون "جرعة" دون فشل.
اختبارات التسخين المتساوي
اختبار آخر قمنا به هو توقيت مدى سرعة تسخين رأس المجموعة. بدلاً من التوقيت فقط، قمت بإزالة الشاشة واستخدمت كاميرا حرارية لقياس درجة حرارة سطح الرش.
مع الانتهاء من التصميم واختيار المادة، حان الوقت للمضي قدمًا في التصنيع.
الجزء 5 - التصنيع.
بعد الانتهاء من التصميم واختيار المادة المناسبة، كانت الخطوة التالية هي تصنيع الأجزاء.
هدفنا إلى إنتاج الأجزاء من خلال القولبة بالحقن لضمان فعالية التكلفة للترقية. شكل هذا تحديًا، حيث لم يكن لدى Decent خبرة سابقة مع القولبة بالحقن، وتفتقر إلى الموردين المعتمدين، وكانت لديها خبرة محدودة في الشركة.
إذن كيف نختار الموردين؟
إذا كانت رسوم القوالب منخفضة، فمن الممكن طلب عينات من موردين متعددين، واختيار الأنسب. الذي يقدم منتجات عالية الجودة، ليس لديه تأخيرات كبيرة، يتواصل بشكل جيد وله تكلفة معقولة. عندما تكون القوالب باهظة الثمن، يجب عليك القيام بالكثير من البحث، والتحدث مع العديد، ثم اختيار واحد والأمل في أن يتمكن من فعل ما يقول.
قبل اختيار المورد لهذا الجزء، أجرينا مناقشات مكثفة. بعد بضعة أشهر، اخترنا في النهاية موردًا أثبت أنه رائع. طرح علينا العديد من الأسئلة واقترح تغييرات في التصميم، مما أظهر معرفة عميقة بالقضايا. قال موردون آخرون "لا تقلق، سيكون الأمر على ما يرام" لكن هؤلاء الأشخاص أشاروا إلى جميع نقاط المشكلة المحتملة في تصميمنا، مما سمح لنا بتحسين الأجزاء للتصنيع.
قوالب الحقن البلاستيكية هي قطع معقدة من الهندسة!
إليك بعض المناظر للقالب. الأجزاء الخضراء الداكنة في المنتصف هي أجزاء رأس المجموعة.
تم تطوير القالب والموافقة عليه، وبدأت فترة الانتظار لتصنيعه. بعد أشهر، تلقينا فيديو يعرض العينات الأولى.
على الرغم من أنها لم تكن مثالية، تم إجراء التعديلات، وبعد بضع تكرارات طفيفة، كنا جاهزين تقريبًا للإنتاج الضخم.
كانت هناك خطوة أخيرة، أردنا إجراء اختبارات المواد الخاصة بنا على المنتج النهائي. للتأكد من أن المادة آمنة حقًا للطعام. من الجيد الوثوق بتقارير اختبار مزود المواد، ولكن من الأفضل إعادة الاختبار محليًا على العنصر النهائي. اجتاز الاختبار. PDF لتقرير مختبر الاختبار الناجح.
كان كل شيء جاهزًا للإطلاق، لذلك شرعنا في دفع تكاليف دفعة الإنتاج، وبعد فترة ليست طويلة، تلقينا الأجزاء النهائية.
لقد كانت عملية طويلة وصعبة، لكنها كانت تستحق الجهد. على وجه الخصوص، استمتعت بالعمل مع ستيفان ولوكا، وأود أن أشكرهما على الوقت الذي قضياه والعمل الجاد. العديد من الصور في هذا المنشور من ستيفان، وتقاريره جميلة الصنع ومفيدة للغاية.
آمل أن تكون قادرًا على الاستمتاع بإسبريسو أفضل وأكثر اتساقًا، نتيجة لأربع سنوات من العمل الذي وضعناه في هذه الأجزاء!
john created 2025/02/27, john updated 2026/07/09