Nowe technologie w zakresie turbin zwiększają wydajność mikroobróbki
W dzisiejszym świecie, w którym coraz mniejsza dostępność zasobów i coraz większe zanieczyszczenie stają się coraz większym problemem, producenci szukają nowych sposobów na obniżenie kosztów oraz poprawę efektywności energetycznej wyposażenia i maszyn. Z tego powodu uczestnicy finansowanego z funduszy UE projektu OpTEMUS (Optimising turbo-spindle efficiency for machining at ultra-high speed) zastanowili się, jak zwiększyć sprawność energetyczną ultrawysokoobrotowych wrzecion stosowanych w obrabiarkach precyzyjnych. Pierwsze badania prowadzone w ramach projektu ujawniły, że efektywność energetyczna obecnie używanych wrzecion turbinowych (turbowrzecion) zwykle nie przekracza 20%. Aby zwiększyć efektywność oraz stosunek mocy do masy, a jednocześnie obniżyć koszty, zespół OpTEMUS opracował nową turbinę o napływie promieniowym pod kątem 90°, przeznaczoną do wrzecion do mikroobróbki. W celu zwiększenia wydajności wrzeciona, badacze zaprojektowali nowy, charakteryzujący się niskim poziomem reakcyjności i wysokim poziomem obciążenia stopień turbiny promieniowej zapewniający wysoką wydajność turbiny przy jednoczesnym zachowaniu minimalnego momentu bezwładności, masy i rozmiaru. Kluczowe parametry projektowe, takie jak grubość i liczba łopatek, kąt wylotowy łopatek wirnika czy szczelina promieniowa pomiędzy wirnikiem a stojanem, określono na podstawie obliczeniowych symulacji dynamiki płynów. Niskie siły oporu turbiny redukują obciążenie osiowe łożysk wrzeciona, zaś niska konstrukcyjna prędkość obrotowa sprawia, że łopatki mogą być produkowane ze stopu magnezu, co pozwala jeszcze bardziej zmniejszyć moment bezwładności. Zespół zbudował prototypowy wirnik turbinowy o średnicy zewnętrznej wynoszącej 25 mm i rozstawie łopatek wlotowych równym 1,9 mm. Masa tego prototypowego wrzeciona nie przekracza 300 g, zaś statyczna sztywność promieniowa (na uchwycie wrzeciona) jest mniejsza niż 0,66 N/µm. Nowe turbowrzeciono jest zdolne do działania z prędkością do 100 000 obr./min i może pracować bez przerwy przez ponad 24 godziny. Aby zmierzyć moment obrotowy i moc wyjściową, prototypowe turbowrzeciono zamocowano do wysokoobrotowego silnika elektrycznego/generatora i obciążono przy użyciu szeregu rezystorów. Jak dotąd udało się uzyskać maksymalną moc wyjściową rzędu 100 W i efektywność energetyczną przekraczającą 50%, co dowodzi, że uzyskanie poprawy w zakresie wydajności jest możliwe. Podbudowany doskonałymi wynikami zespół OpTEMUS zdecydował się połączyć swoje siły z partnerami przemysłowymi i złożyć dwa nowe wnioski o dofinansowanie dalszych badań. Dodatkowo zespół przeanalizował możliwości w zakresie komercjalizacji nowej technologii, uwzględniając jej potencjalne zastosowania w elektronarzędziach, robotach lakierniczych i urządzeniach medycznych/stomatologicznych. Jeśli wszystko pójdzie zgodnie z planem, już niedługo producenci będą mogli korzystać z bardziej wydajnych maszyn.
Słowa kluczowe
Mikroobróbka, maszyny, OPTEMUS, turbowrzeciono, turbina, wydajność
