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Oct 12, 2023

Bau eines Wassersammelgefäßes von Grund auf

Opensource.com Mein Team vom Singapore Polytechnic hat im Rahmen des Engineering Academy-Programms ein Wassersammelgefäß für das Modul Engineering & Design hergestellt. Das Team bestand aus vier Mitgliedern

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Mein Team vom Singapore Polytechnic hat im Rahmen des Engineering Academy-Programms ein Wassersammelgefäß für das Modul Engineering & Design hergestellt. Das Team bestand aus vier Mitgliedern verschiedener Disziplinen: Thomas und Ryan vom Diplom in Maschinenbau sowie Hwee Peng und ich, Ajay, vom Diplom in Elektrotechnik und Elektronik. Die Fertigstellung des Projekts dauerte mehrere Monate, von Dezember 2015 bis Februar 2016.

Das Engineering Academy-Programm wird Spitzenstudenten der School of Electrical and Electronic Engineering sowie der School of Mechanical and Aeronautical Engineering am Singapore Polytechnic angeboten. Das Programm zielt darauf ab, Fähigkeiten aus einer Vielzahl von Disziplinen zu vermitteln: Elektrik, Elektronik, Mechanik, Chemie, Design und Wirtschaft.

Die Projektaussage, die uns zu Beginn des Semesters vorgelegt wurde, lautete: „Entwerfen Sie ein Fahrzeug, das zwei Wasserproben entnehmen kann, bei einem Meter und bei zwei Metern unter Wasser.“ Dies stellte für uns eine Herausforderung dar, da es viele Feinheiten des Fahrzeugs gab, über die wir nachdenken mussten, und es ein riesiges Unterfangen war.

Wir haben die Herausforderung jedoch mit offenen Armen angenommen. Wir wussten, dass dies unser gesamtes Wissen auf die Probe stellen würde und die Suche nach noch mehr Informationen auf eigene Faust erforderlich machen würde. In diesem Artikel wird der sehr iterative Prozess der Planung und Prototypenerstellung beschrieben und die Früchte unserer Arbeit vorgestellt.

Wir kamen auf viele Ideen, nachdem wir unseren Weitblick geübt hatten, indem wir möglichst viele Herausforderungen auflisteten, denen wir voraussichtlich gegenüberstehen würden, und dann die entsprechenden Lösungen erarbeiteten. Schließlich sollte es sich um ein Fahrzeug handeln, das entweder im Wasser schwimmt oder darin versinkt. Sobald Wasser ins Spiel kommt, wenn es um elektronische Geräte geht, ist eine Wasserdichtigkeit unerlässlich. Im Nachhinein ist es amüsant, dass wir überhaupt über die Idee eines Tauchfahrzeugs statt nur eines einfachen schwimmenden Schiffes nachgedacht haben, angesichts der großen Einschränkungen, die wir in Bezug auf Zeit, Materialien und Herstellungsmethoden hatten.

Für den Hauptkörper des Gefäßes entschieden wir uns für die Verwendung von Rohren aus Polyvinylchlorid (PVC) für den Gefäßboden und Acryl für die Haupttragstruktur. Wir haben herausgefunden, dass PVC ein relativ billiges und dennoch schwimmfähiges Material ist und in einem geschlossenen Rohrnetz Luft darin einschließt, was den Auftrieb noch mehr unterstützt. Wir wollten Acrylteile verwenden, da diese einfach herzustellen waren und eine ausreichende strukturelle Unterstützung boten. Alles, was wir brauchten, war eine schematische 2D-Zeichnung, und der Laserschneider konnte den Rest der Arbeit erledigen.

Ursprünglich hatten wir geplant, 12-V-Magnetventile zu verwenden, um den Wassereintritt in die Behälter zu regulieren. Allerdings stellten wir fest, dass die uns von unseren Dozenten zur Verfügung gestellten Ventile aus einem besonderen Grund nicht wie vorgesehen funktionierten. Alle Komponenten schienen gut zu funktionieren, allerdings ließen die Ventile trotz umfangreicher Tests keinen ungehinderten Wasserfluss zu. Wir vermuteten, dass es etwas mit der Stärke des darin enthaltenen Magnetventils zu tun hatte, oder vielleicht lag es an einem schwerwiegenden Konstruktionsfehler von Anfang an.

Da der Kauf neuer Ventile unser Budget sprengte und eine Vielzahl anderer Probleme mit sich gebracht hätte, machten wir uns erneut ans Reißbrett und recherchierten mehr über Wasserprobenehmer.

Wir haben den Van Dorn Water Sampler entdeckt, eine geniale Methode zum Sammeln von Wasser, die auf Elastizität und einem Schnelllösemechanismus basiert. Wir haben das Design weiter vereinfacht, um es in unser Schiff nachzurüsten.

Van-Sampler.

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Die folgende Grafik zeigt die Bedienung des Containers. Es wird mit einem Nylonseil abgesenkt und bei Erreichen der gewünschten Tiefe wird ein Bote (ein Gewicht) entlang des Seils herabfallen gelassen, um auf den Hebel zu schlagen, der sich aus seiner verkeilten Position löst und dazu führt, dass der Behälter festklemmt und Wasser darin einschließt Es.

Wir entschieden uns für die Idee, Behälter bis zur jeweiligen Tiefe ins Wasser abzusenken und die Wasserproben zu sammeln, während der Hauptkörper des Schiffes schwimmend blieb. Wir dachten zunächst daran, den Container mit einem Arm abzusenken und dann wieder hochzuheben. Dies wäre jedoch nur möglich gewesen, wenn wir das Magnetventil als Teil des Wasserbehälters verwendet hätten.

Da die Idee des Magnetventils auf Eis gelegt werden musste, mussten wir uns eine neue Möglichkeit zum Absenken der Behälter einfallen lassen. Wir entschieden uns für die Verwendung eines Seils und eines Motors zum Absenken und Anheben der Wasserbehälter, da dies die einfachste Konstruktion war, die das Design des Wasserbehälters ergänzte.

Nachdem wir ein zufriedenstellendes Design gefunden hatten, bauten wir den Hauptkörper des Schiffs aus lasergeschnittenen Acrylteilen und PVC-Rohren.

Hauptschiff.

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Wir stellten jedoch fest, dass die Acrylteile zu schwach waren, um das Gewicht der Behälter zusammen mit ihren Trägern zu tragen. Da das Acryl nur 3 mm (0,12 Zoll) dick war, war es für unser Design zu zerbrechlich. Die Auflösung der Kräfte hätte dazu geführt, dass sie schnell Risse bekamen oder brachen.

Unser erster Prototyp war sehr kurzlebig, da der gesamte Acrylrahmen beiseite geworfen werden musste. Wir entdeckten auch eine Komplikation mit dem Mechanismus, der die Wasserbehälter betätigt, dem Messenger. Leider ist es Zeit, wieder mit der Planung zu beginnen!

Unser Gesamtentwurf war sowohl physikalisch als auch mathematisch sinnvoll, wir mussten uns jedoch einen völlig neuen Rahmen für das Schiff sowie eine neue Art des Verschlusses des Wasserbehälters einfallen lassen. Wir haben den Großteil des Designs richtig hinbekommen, mussten aber dennoch ein paar größere Verbesserungen vornehmen.

Wir brauchten einen neueren, stärkeren Rahmen. Angesichts der begrenzten Ressourcen und der begrenzten Zeit haben wir uns entschieden, einen Aluminiumrahmen unter Verwendung von Aluminium-L-Klammern herzustellen. Die Perfektionierung dauerte ziemlich lange, da wir sicherstellen mussten, dass wir präzise sägten und frästen, ordnungsgemäß bohrten, die Löcher ausgerichtet waren und dass unsere Kommunikation effektiv war.

Es stellte sich als ziemliches Rätsel heraus, den Hebel des Wasserbehälters mit einem Boten zu lösen. Die Implementierung war nicht ganz einfach und hätte zu einer ziemlich umständlichen Benutzererfahrung geführt. Daher mussten wir uns einen neuen Weg überlegen, dies zu tun. Wir haben uns den Kopf zerbrochen, um mögliche Lösungen zu finden, und eine der Ideen, über die wir gestolpert sind, bestand darin, Fahrradbremsen zu verwenden, um den Hebel nach oben zu ziehen und den Behälter zu schließen. Die Steuerung über einen Servomotor war wunderbar einfach!

Containermechanismus.

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Die obige Animation zeigt ein funktionierendes Beispiel dafür, wie unsere Container durch Servomotoren gesteuert wurden.

Nachdem wir einen soliden Proof of Concept hatten, mussten wir die Puzzleteile auf die eleganteste Art und Weise zusammenfügen. Sie fragen sich vielleicht, dass dieser Artikel viel über den mechanischen Aspekt von Imp Bot (den Namen, den wir unserem zukünftigen Kunstwerk mit Stolz verliehen haben) behandelt hat, aber nichts über die Elektronik!

Imp Bot wurde über eine mobile Anwendung gesteuert, die mit dem MIT App Inventor erstellt wurde, und die Kommunikation erfolgte über ein Bluetooth-Modul, das an ein Arduino Mega-Board angeschlossen war. Es war sogar ein GPS-Sensor an Bord, um Probenahmeorte in der mobilen Anwendung zu protokollieren. Die Stromversorgung erfolgte über eine Lithium-Ionen-Polymer-Batterie, die zwei Gleichstrommotoren mit hohem Strom versorgen konnte, die für die Fortbewegung des 5 kg (11 Pfund) schweren Gefäßes verantwortlich waren.

Kobold-Ruhm!

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Und siehe da, Imp Bot sonnt sich in seiner wahren Pracht! Die Tests verliefen reibungslos und wir erreichten unser Ziel, Wasser aus einem Meter und zwei Metern Tiefe zu sammeln.

Abschließend hoffe ich, dass dieser Artikel gezeigt hat, wie viel Arbeit in ein Projekt dieses Kalibers gesteckt werden muss. Die Projektbeschreibung schien auf den ersten Blick sehr einfach zu sein, aber als wir uns mit den Besonderheiten des Schiffes befassten, entdeckten wir viele kleine, aber bedeutende Hürden, die wir überwinden mussten.

Die Reise war beschwerlich. Wir haben viele Nächte damit verbracht, Imp Bot zu entwerfen und die Zahlen dahinter zu ermitteln. Wir haben auch viele lange Tage in der Werkstatt verbracht, um es herzustellen und zu testen. Eines ist jedoch sicher: Wir haben dafür gesorgt, dass wir Spaß hatten und am Ende des Tages etwas gelernt haben.

Mir persönlich hat es trotz der unglaublichen Menge an Arbeit, die wir investiert haben, sehr viel Spaß gemacht. Am Ende bin ich froh, sagen zu können, dass sich alles gelohnt hat. Dieses Video bietet einen schnellen Überblick über das Projekt und das Team.

Weitere Informationen finden Sie in unserem Blog. Wir haben unsere gesamte Reise dorthin dokumentiert, falls Sie sie genauer erkunden möchten. Den gesamten Arduino-Code finden Sie hier. Alle schematischen Diagramme und .stl-Dateien finden Sie in diesem Google Drive-Ordner, der unter der Creative Commons Attribution 4.0 International-Lizenz lizenziert ist. Die .stl-Dateien können mit jeder 3D-Modellanzeigesoftware wie MakerWare oder Cura geöffnet werden. Die rohen Schaltplandateien (.iam und .ipt) wurden mit Autodesk Inventor erstellt und können in Autodesk Inventor 2014 oder einer neueren Version der Software geöffnet werden.