Intelligente Antriebstechnik Art Meets Coffee

Intelligente Antriebstechnik kann das Geschmackserlebnis in modernen Kaffeemaschinen optimieren.
Intelligente Antriebstechnik kann das Geschmackserlebnis in modernen Kaffeemaschinen optimieren.

Genussmenschen haben hohe Ansprüche an Ihren Kaffee. Eine perfekte Tasse zuzubereiten ist allerdings gar nicht so einfach, doch intelligente Antriebstechnik in modernen Kaffeemaschinen kann das Geschmackserlebnis optimieren - und bietet zusätzlich auch etwas fürs Auge.

Es gibt die Legende, dass Kaffee gleich nach Öl das zweithäufigste Handelsgut der Welt ist. Das entspricht zwar nicht der Wahrheit, aber allein die Tatsache, dass viele Menschen dieser Behauptung Glauben schenken, zeigt, wie beliebt das schwarze Gold ist. Denn Kaffee ist quasi allgegenwärtig. Auch wenn Du selbst keinen Kaffee magst, wirst Du ihm kaum entkommen. Denn egal, ob am Arbeitsplatz, in Straßencafés oder bei Treffen mit Freunden – überall wird Kaffee getrunken.

Die Schweizer Firma Thermoplan, die seit 1999 die Kaffeemaschinen von Starbucks entwickelt und produziert, stellt hochautomatisierte Produkte her, mit denen menschliches Versagen bei der Zubereitung von Kaffee nahezu ausgeschlossen ist. Dazu zählen der Kaffeevollautomat Black&White4 compact für den professionellen Gebrauch und die Milchschaumtechnik LatteArtist. Aber wie gelingt der perfekte Kaffee – vorausgesetzt, die Lieblingsbohnen sind vorhanden? Und fast noch wichtiger: Wie entwickelt man eine Maschine, die immer wieder – absolut wiederholbar – die perfekte Tasse Kaffee zubereitet?

 

Die Antwort liegt in der Antriebssteuerung

Jede Kaffeebohne hat ihr individuelles Aroma. Oft wird allerdings der Einfluss des Mahlvorgangs auf den Geschmack vernachlässigt. Doch der Mahlvorgang spielt eine wichtige Rolle, denn in Abhängigkeit des Mahlgrades läuft das heiße Wasser mit unterschiedlicher Geschwindigkeit durch das Kaffeepulver. Je feiner das Kaffeepulver, desto länger dauert es, bis das Wasser durchgeflossen ist – und desto stärker und bitterer wird der Kaffee. Grob gemahlene Bohnen hingegen lassen das heiße Wasser schneller durch: Das Wasser entzieht dem Kaffeepulver weniger Aroma und der Kaffee wird milder.

Einfache Kaffeemühlen haben ein Schlagmahlwerk mit drehenden Klingen, mit denen die Bohnen in relativ kleine, aber uneinheitliche Teile zerkleinert werden. Bei der Zubereitung mit uneinheitlich gemahlenen Bohnen kann der Kaffee nicht seinen vollen Geschmack entfalten. Bei den gröber gemahlenen Bestandteilen des Kaffeepulvers entfaltet sich der Geschmack nicht vollständig, da sich aus grobem Pulver nicht alle Aromen extrahieren lassen. Die feiner gemahlenen Bestandteile hingegen geben dem Kaffee einen bitteren Geschmack. Bei dieser Art der Kaffeezubereitung überwiegt also der Geschmack. Die Aromen und damit der wahre Charme der Kaffeebohnen kommen zu kurz.

Eine Alternative zu Mühlen mit Schlagmahlwerk stellen Mühlen mit Scheibenmahlwerk dar. Im Gegensatz zum Schlagmahlwerk werden im Scheibenmahlwerk die Bohnen gemahlen und nicht in grobe Stücke zerkleinert. Eine Kaffeemühle mit Scheibenmahlwerk enthält eine feststehende und eine rotierenden Scheibe, mit der die Bohnen je nach Abstand der Scheiben auf eine bestimmte Größe gemahlen werden. Beispielweise kann ein großer Abstand zwischen den Scheiben eingestellt werden, um grob gemahlene Bohnen für eine Kaffeepresse, also für eine French Press, zu erhalten. Mit einem geringeren Abstand wird ein entsprechend feines Kaffeepulver gemahlen, wie es für einen Espresso benötigt wird. Auf Grund der hohen Qualität und Homogenität des Kaffeepulvers sind Mühlen mit Scheibenmahlwerken zum Industriestandard für gewerbliche Kaffeemaschinen geworden. Damit jederzeit ein perfekter Abstand zwischen den beiden Scheiben gewährleistet wird, ist ein präziser, wiederholbarer Einstellprozess nötig, bei dem Schrittmotoren zum Einsatz kommen. Für die präzise Ansteuerung solcher Schrittmotoren sind beispielsweise intelligente Motortreiber wie der TMC5130 von Trinamic geeignet.

Der Schrittmotortreiber TMC5130

Beim TMC5130, den Thermoplan beispielsweise in seinem Kaffeevollautomaten Black&White4 verbaut hat, handelt es sich um einen Schrittmotortreiber mit integriertem Motion Controller. Der Treiber, der sich von einem beliebigen Mikrocontroller über SPI oder UART ansteuern lässt, stellt Phasenströme von kurzzeitig bis zu 2,5 A bei 46 V zur Verfügung. Er übernimmt Aufgaben wie die die Berechnung der Motorströme mit einer Auflösung von bis zu 256 Mikroschritten pro Vollschritt und die Stromregelung bis zum Leistungsteil zum Treiben des Motorstroms. Mit einer speziellen PWM-Funktion sorgt der Treiber für Laufruhe in allen Betriebsarten.

Schrittmotoren in Kaffeemaschinen

Auch wenn das Einstellen der Kaffeemühle zu Hause schnell genug für den privaten Bedarf geht, sind die Anforderungen an Geschwindigkeit in einem Starbucks ganz andere. Denn dort müssen viele Tassen am Tag über den Tresen gehen und die Kunden warten ungeduldig auf ihre nächste Dosis Koffein.

Doch egal, ob es sich um die Zubereitung unterschiedlicher Kaffeesorten, die Reinigung der Maschine oder eine Verschiebung der Mahlscheiben handelt – durch die Automatisierung des Prozesses mittels Schrittmotoren wird es möglich, die Kunden schnell und professionell zu bedienen.

Für Baristas ist die Zubereitung des perfekten Kaffees eine besondere Kunst. Für einen immer wieder identischen Geschmack ist allerdings nicht nur beim Mahlen der Kaffeebohnen ein präziser und wiederholbarer Prozess erforderlich, sondern auch beim Dosieren. Heute kann die Dosierautomatisierung einen optimalen Geschmack bei jeder Tasse gewährleisten. Moderne Kaffeemaschinen wie die Black&White4 oder die Mastrena II von Thermoplan sind so konzipiert, dass sie exakt die Menge an Kaffeebohnen verwenden, die für einen Espresso, Latte Macchiato, Flat White oder Americano benötigt wird.

Auch für die Dosierautomatisierung ist eine präzise Motion Control von Vorteil: Die Antriebssteuerung sorgt einerseits dafür, dass für jede Tasse Kaffee exakt die richtige Menge an Kaffeepulver verwendet wird, und optimiert dadurch auch den Verbrauch der Kaffeemenge. Denn dadurch, dass exakt die richtige Menge an Kaffeepulver zum Einsatz kommt, werden letztendlich weniger Bohnen verschwendet.

Der letzte Schliff

Nicht zuletzt aus ästhetischen Gründen, möchte niemand mit einer Kaffeemaschine arbeiten, die den Kaffee einfach irgendwie in die Tasse spritzt und dabei die Hälfte in der Tropfschale versenkt. Genau wie die Maschine selbst, muss auch die Herstellung einer Tasse Kaffee ansprechend aussehen. Auch dabei können Schrittmotortreiber helfen: Sie gewähreisten, dass Kaffee und Milch präzise und ohne Verschütten in die Tasse laufen und sorgen daneben für einen reibungslosen, leisen Betrieb. Bei der Black&White4 hat Thermoplan mit LatteArtist einen Trick im Ärmel: Latte Art – die Kunst, Formen und Figuren durch Gießen von Milchschaum in einer Tasse zu bilden – ist eine Leidenschaft vieler privater und professioneller Baristas.

Mit Hilfe der Funktion LatteArtist kann Thermoplan nun eine Kaffeemaschine anbieten, die dank intelligenter Schrittmotorentreiber automatisch Latte Art auf den Cappuccino zaubern kann. Neben dem Kaffeeauslauf befindet sich ein kleiner Milchauslauf, der von zwei Schrittmotortreiber-ICs des Typs TMC5130 angetrieben wird und sich geräuschlos entlang von zwei Achsen bewegt. Dabei gießt der Auslauf den Milchschaum auf einem vordefinierten Weg in die Tasse und formt so eine schöne Figur auf dem Getränk.

Firmen-Steckbrief:

Trinamic Motion Control ist ein in Hamburg ansässiges Unternehmen, das sich auf Antriebslösungen im Bereich der Schrittmotor- und BLDC-Motortechnik spezialisiert hat. Die Produkte der Firma adressieren Motion-Control-Applikationen, unter anderem in der Biotechnologie, in der Laborautomatisierung, im Halbleiter-Handling und in der Fabrikautomatisierung. Die Produktentwicklung bei Trinamic hat sich zum Ziel gesetzt, die Kundenanforderungen bezüglich Miniaturisierung, Effizienz, Diagnostik und Schutzfunktionen so zu erfüllen, dass verlässliche Antriebssysteme entstehen.

Der Autor

Corné Bekkers

Bei der Arbeit als Content Marketing Manager bei Trinamic Motion Control kombiniert Corné Bekkers die Fähigkeiten, die er in seinem Master-Studium des Journalismus erworben hat, mit seiner Leidenschaft für Technik. In seiner knapp bemessenen Freizeit ist er gerne mit seinem klassischen BMW-Motorrad in der Umgebung von Hamburg unterwegs und liebt es, neue Orte zu erkunden.