Neue Turbinentechnologie zur Steigerung der Mikrobearbeitungseffizienz
In einer Welt, in der konkurrierende Ressourcen und zunehmende Umweltverschmutzung unser Leben erschweren, prüft die Industrie, wie Ausrüstungen und Maschinen energieeffizienter und kostengünstiger gemacht werden können. Das von der EU finanzierte Projekt OpTEMUS (Optimising turbo-spindle efficiency for machining at ultra-high speed) erforschte die Frage, wie die Energieeffizienz von Hochfrequenzspindeln, die in Präzisionswerkzeugmaschinen verwendet werden, verbessert werden kann. Die frühen Untersuchungen des OpTEMUS-Projekts zeigten, dass die Energieeffizienz von bestehenden kommerziellen Turbinenspindeln ("Turbo-Spindeln") typischerweise unter 20% liegt. Mit dem Ziel, die Spindeleffizienz und das Leistungsgewicht zu erhöhen und gleichzeitig die Kosten zu senken, schlug das Projektteam eine neue 90-Grad-Turbine mit radialer Anströmung für Spindeln zur Mikrobearbeitung vor. Um die Spindelleistung zu verbessern, hat das OpTEMUS-Team eine radiale Turbinenstufe mit niedriger Reaktion und hoher Belastung entwickelt, mit der eine hohe Turbinenleistung bei gleichzeitiger Minimierung von Trägheit, Gewicht und Größe erreicht wird. Simulationen aus der numerischen Strömungsmechanik wurden verwendet, um wichtige Designparameter wie Schaufeldicke, Anzahl der Schaufeln, Rotoraustrittswinkel und den radialen Spalt zwischen Rotor und Stator zu bestimmen. Das neue Design zeichnet sich außerdem durch geringe Anlaufkräfte aus, um die axiale Belastung der Spindellager zu reduzieren, sowie eine niedrige Schaufelgeschwindigkeit, die die Herstellung des Rotors mit einer Magnesiumlegierung für weitere Massenträgheitseinsparungen erleichtert. Der neue Prototyp eines Turbinenrotors mit einem Außendurchmesser von 25 mm und einer Eintrittsblattbreite von 1,9 mm wurde aus einer Aluminiumlegierung hergestellt. Der Prototyp der Spindel wiegt weniger als 300 g und hat eine statische radiale Steifigkeit (bei Werkzeugträgern) von 0,66 N/µm. Die neu entwickelte Turbospindel wurde erfolgreich bei bis zu 100 000 U/min betrieben und hat eine Laufzeit von 24 Stunden. Um das Drehmoment und die Leistungsabgabe zu messen, wurde der Prototyp der Turbospindel an einem Hochfrequenzelektromotor/-Generator befestigt und mit einer Reihe von Widerständen belastet. Bisher wurden eine maximale Turbinenleistung von ca. 100W und ein Wirkungsgrad von über 50% erreicht, was die möglichen Leistungsverbesserungen demonstriert. Aufgrund dieser positiven Ergebnisse hat das OpTEMUS-Team gemeinsam mit Industriepartnern zwei Fördervorschläge für weitere Forschungsprojekte eingereicht. Darüber hinaus hat das Team Kommerzialisierungsoptionen für die neue Technologie untersucht. Dazu gehört auch ihr potenzieller Nutzen für Elektrowerkzeuge, Farbspritzgeräte und medizinische / zahnmedizinische Geräte. Sobald die Projektergebnisse in vollem Umfang genutzt werden, wird die Industrie von wesentlich effizienteren Fertigungsanlagen profitieren können.
Schlüsselbegriffe
Mikrobearbeitung, Maschinen, OPTEMUS, Turbospindel, Turbine, Effizienz
