Auf dieser Seite sind Bilder für Steel4Bees im Zeitablauf zusammengestellt. Das Titelbild zeigt einen frühen Vorschlag einer innovativen Wägezellenanbringung..
Stand 17.03.2025
Erste Modelle zum Projektstart im Oktober 2024
Abb. 1: Ein Demonstrator für einen Trachtschätzer. Noch ist der Entwicklungsprototyp aus dem 3D-Drucker. Die orangenen Linien dienen dazu, Verformungen sichtbar zu machen und so Schwachstellen zu identifizieren, bevor das Modell in Stahl nachgebaut wird. In Workshops mit Imkeren kann auch so die grundsätzliche Funktionsweise einer Waage deutlich gemacht werden. In diesem Demonstrator kommen preiswerte Wägezellen, wie sie auch in Bad-Personenwaagen verbaut sind, zum Einsatz. Für eine flächige Auflage werden vier Wägezellen benötigt, ein Wägebalken wie hier gezeigt kommt mit zwei Wägezellen aus. Auch schon mit zwei Wägezellen lässt sich eine empfndliche Brückenschaltung aufbauen. Zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Prototypen war noch unklar, ob die wägezellenzellenintene Temperaturkompensierung genügt oder ob ein separater Temperaturfühler zwingend erforderlich ist.
Abb. 2: Ein anderes Modell für etwas höhere Lasten. Mit Hilfe von Milchpackungen, die jeweils 1.070g wiegen, lässt sich schnell ausprobieren, ob die Messwerte linear mit dem Gewicht zusammenhängen. Dazu werden die Messwerte gegen das Gewicht aufgetragen und statistische Kennwerte mit Korrelationsrechnungen ermittelt. Das sogenannte Bestimmtheitsmaß gibt dann an, wie gut – das heißt wie linear – die Messwerte mit dem Gewicht zusammenhängen.
Die Fertigung der Prototypen
Abb. 3: Ein zerstörter Bohrer. Die Festlegung auf Edelstahl als Material für die Trachtschätzer stellt eine Manufaktur vor Herausforderungen. Mit preiswerten Bohrern vom Discounter gelingen Löcher eher nicht. Für den nächsten Test wurden Kobalt-legierte Bohrer beschafft (HSS-G DIN388 mit Kreuzanschliff). Mit den besseren Bohrern können nun meherer Prototypen gebohrt werden. Insgesamt bleibt festzuhalten, dass es sich lohnt, soweit wie möglich auf zerspanende Methoden für Edelstahl zu verzichten. Der Werkzeugverschleiß ist ein icht zu vernachlässigender Kostentreiber bei der Produktion.
Abb. 4: Gerade Sägeschnitte und passende Bohrungen erfordern ein rechtwinkliges Markieren auf den Bauteilen. Für diesen Zweck werden Anzeichenhilfen aus dem 3D-Drucker verwendet.
Abb. 5: Gerade Schnitte in Edelstahl sind eine weitere Herausforderung in einer Manufaktur. um die Edelstahl-Profile auf das richtige Maß zu bringen, wurde eine Sägehilfe aus 30 Jahre gelageren Kieferplatten (IKEA Ivar) erstellt. Mit Hilfe des Anschlages und eines speziellen Sägeblattes gelingen die Schnitte nun mit der Stichsäge.
Abb. 6: Ebenfalls aus dem 3D-Drucker ist der Anschlag (orange), der sich gegen die Säule der Standbohrmaschine abstützt. Wichtig ist, dass die Bohrungen auf ein zehntel Millimeter genau den Abstand von Rand der Bauteile halten.
Abb.7: Die Genese von Prototypen des Trachtschätzers. Links unten sind Halterungen aus dem 3D-Drucker für preiswerte Flach-Wägezellen. Rechts unten sind Muster komplett funktionieller Wägebalken, nach denen dann die Edelstahlvarianten gebaut werden. Als zweites von oben sieht man einen Eigenentwicklung eines Gewichstsensors als V2A-Edelstahl mit Dehnungsmessstreifen. Sowohl die Eigenentwicklung als auch die preiswerten Flachtellen passen in den Wägebalken oben im Bild. Damit stehen nun alternative Fertigungsmethoden zur Verfügung, das minimiert die Abhängigkeit von Lieferanten.
Funktionale Tests
Abb. 8: Der Prototyp für den Mini-Plus-Trachtschätzer outdor im -4°C Kältetest. Zuvor wurde ein Linearitätstest mit Milchpackungen, die recht zuverlässig 1070g wiegen, durchgeführt. Der Linearitätstest ergab für die lineare Korrelation ein Bestimmtheitsmaß von R2=0,9998. Der Kältetest erfolgt auf der (überdachten) Terrasse eines Wohnhauses. Die Wäge- und Temperaturdaten werden jede halbe Stunde über WLAN auf einem Internetserver geloggt. Die Sendeelektronik befindet sich (noch) in einer Emsa-Haushaltsdose. Für Selbstbau-Projekte ist das eine sehr preiswerte, robuste und wetter- sowie mäusefeste Lösung. Als unveränderliches Gewicht für die Stabilitätsuntersuchungen und Untersuchung des Kriechverhaltens der Wägezellen (alles Replikationsstudien, erste Tests wurden bereits im Projekt Biene40 durchgeführt) dient ein mit Sand gefüllter Bienenfutterkanister.
Abb. 9: Als Ergänzung bekommt der Trachtschätzer noch eine smartes Thermoschied für das Beutensystem Mini Plus. Jede Viertelstunde werden Temperaturdaten am Unterträger, auf der Bienenseite, am Oberträger und auf der bienenabgewandten Seite ins Internet übertragen. Das obere Bild zeigt die vorkonfektionierten Temperatursensoren, das Mittlere Bild den Aufbau für den Labortest. Im unteren Bild ist die Anzeige im Imker-Panel gezeigt. Die zugehörige Waage sendet noch keine Daten. Noch zum Ende Januar soll das Thermoschied in einen Bienenstock und erste Daten zum Futterverzehr und zu Wanderungsbewegungen der Wintertraube liefern. Im Vorläuferprojekt Biene40 wurde noch mit Temperaturlanzen gearbeitet, die jedoch ein Kabel aus der Beute erfordern. Das smarte Thermoschied hat Batterien und den Sender „an Bord“ und benötigt keine Kabel aus dem Bienenstock.
Abb. 10: Das erste PCB für Steel4Bees. Gedacht ist das PCB für „Umbaukits“, wenn eine vorhandene, nicht mehr funktionsfähige Trachtwaage auf Steel4Bees umgerüstet werden soll.
Abb. 11: Das bestückte PCB. Als Messverstärker und Digitalisierer wird (derzeit) ein HX711-Board verwendet. Ein auf dem Board integrierter Temperatursensor erleichtert die (notwendige) Temperaturkompensation und gibt Hinweise über die Wärmesituation am Bienenstand. Ein kleiner Mincrocontroller bereitet die Daten auf und stellt sie über einen serielle Schnittstelle zur Verfügung.
Abb. 12 Messaufbau für Linearitätstests. Als Testgewichte kommen zwei Hanteln a 8,05 kg, zwei Sandsäcke a 25 kg und das Körpergewicht des Entwicklers zum Einsatz. Ein Mini Plus Überwinterungssystem dient als Messplattform, eine weitere Mini Plus Holzzarge als erstes Testgewicht. Der Prototyp ist Mittig unter der Last angebracht – später im Feld soll der Wägebalken am Beutenrand eingesetzt werden, so dass er nur das halbe Beutengewicht trägt. Die Tests erfolgten indoor bei konstanter Temperatur Ende Februar / Anfang März 2025.
Abb. 13: Die Messreihe zeigt eine ausreichende Linearität bis zu einer Einzelbelastung von 140kg je Wägebalken. Die Erklärung der Varianz liegt bei R-Quadrat=99,99%. Im Schnitt trägt ein Wägebalken nur die Hälfte des Beutengewichts, daher wäre der hier getestete Prototyp für MIni Plus Beuten für ein Gesamtgewicht bis einer Viertel Tonne geeignet. Das wiegen selbst gute Wirtschaftsvölker nicht.
Abb. 14: Stabilität und Robustheit sind wichtige Aspekte für Imker-Werkzeuge. Der Prototyp nimmt keinen Schaden, wenn ein Zwei Tonnen schwerer VW-Bus darüber fährt. Die Zeitlupenaufnahme des Tests gibts auf youtube: https://www.youtube.com/watch?v=ogdDOpdYs_4
Abb. 15: Die Trachtschätzer sollen mit einem Begleitblatt ausgeliefert werden, das die Kalibrierungsdaten und die Kennwerte für eine Temperaturkompensation enthält. Um einfach und schnell die Kalibrierung durchführen zu können, wurde eine Kalibrierungseinrichtung aus Konstruktionsholz entwickelt und gebaut. Sie funktioniert im Prinzip wie ein Nussknacker. Durch das Hebelprinzip können auch ohne große Gewichte sehr große Kräfte auf eine Waage ausgeübt werden. Hier dient ein mit Sand gefüllter Kanister mit 17,85 kg als Testgewicht, die Hebelkräfte machen daraus 53,55 kg. So lassen sich leicht Äquivalente von weit über 100 kg erzeugen. Die Kalibrierungseinrichtung lässt sich auch für Waagen anderer Hersteller verwenden.
Förderung
Das Projekt Steel4Bees wird gefördert im IGP.
