Doktoritöö: 3D-printimine avab elektrimasinate ehitamisel uue horisondi

Doktoritöö kaitsnud Hans Tiismus (paremal) ja tema juhendaja Ants Kallaste.
Doktoritöö kaitsnud Hans Tiismus (paremal) ja tema juhendaja Ants Kallaste. Autor/allikas: Tallinna Tehnikaülikool

Tehnoloogiliste võimaluste poolest järjest arenev 3D-printimine jõuab erinevates valdkondades üha enam argiellu. Tallinna Tehnikaülikoolis oma doktoritööd kaitsnud Hans Tiismus usub, et lähema poole sajandi jooksul väljuvad 3D-printerist ja jõuavad laia tarbijaskonnani ka elektrimootorid.

Teaduslikus keeles väljendatuna käsitles Hans Tiismus oma doktoritöös pehmete magnetiliste südamike laser kihtlisandustootmise metoodika arendamist. Lühidalt lahtiseletatuna tähendab seda, et ta uuris, kuidas oleks võimalik elektrimootorite komponente valmistada 3D-printeriga.

Alguses keskendus Tiismus peamiselt elektrimootorite magnetsüdamike laser kihtlisandustootmisele (AM). Kaugem eesmärk on sellisel moel valmis saada terviklik mootor. Seejuures pole metoodika väljatöötamisel suuremat vahet, kas tegemist on väikese näiteks kodumasinaid käitava mootori või mõne võimsa tööstusliku elektrimootoriga. Põhimõtteliselt peaks tehnoloogia sobima ükskõik millise elektrimaterjali valmistamiseks.

Materjalide mitu nägu

Praegu seisneb suurim takistus tõsiasjas, et elektrimootorite komponendid, sh magnetsüdamikud, koosnevad mitmest materjalist – nii metalsetest kui ka mittemetalsetest. Levinud 3D-metalliprinterid suudavad töödelda korraga aga vaid ühekomponentset materjali. Siiski õnnestus teadlastel printida magnetsüdamikega töötav ligi 50-vatise võimsusega elektrimootor ja võrrelda selle omadusi tavatootmisest tulnud analoogidega. See on esimene omalaadne prototüüp maailmas.

Tegelikult valmistas Tiismus kolleegidega prototüüpe veelgi ja meetodi vastu on tekkinud huvi ka mitmes piiritaguses ülikoolis. Edasine töö hõlmabki juba omandatud teadmiste rakendamist arvutustes AM-mootorite magnet- ja soojusvoo ning elektrivoolu juhtide kuju optimeerimiseks.

Tiismust juhendanud Tallinna Tehnikaülikooli professor Ants Kallaste märgib, et teadustöö eesmärk pole tuua 3D-printimine metallurgilise masstootmise asemele. Pigem täiendaks kihtlisandustootmine seda kujult keeruliste komponentide tootmisel just tänu oma tootmistäpsusele ja -vabadusele.

"Kuna meie kasutuses on vaid ühekomponentne printer, siis sellega on kõige mõistlikum printida reluktantsrootoreid, millel on suhteliselt lihtne ehitus. Seda on n-ö ühe tükina võimalik otse 3D-printerist printida." räägib Kallaste.

Maailma esimesed avaldatud tööomadustega täielikult 3D prinditud metallist magnetsüdamikega elektrimasinad: (a) prototüüp ühefaasiline trafo kõrvuti traditsiooniliselt valmistatud analoogiga, (b) kolmefaasiline asünkroonmootor. Autor/allikas: Tallinna Tehnikaülikool

Samas on teadlased printinud juba ka staatoreid ja trafosid ehk kogemus on olemas kogu elektrimasina magnetahela osa printimiseks. Nüüd tehakse uurimustööd selle nimel, et printida ka elektrijuhte – mähiseid jmt. Laias laastus on elektrimasinas kolm erinevat materjalide kooslust – magnetilised juhid, elektrijuhid ja isolatsioon.

Hans Tiismus möönab, et see, kui teadlased laboritingimustes mingi asja valmis saavad, ei tähenda paraku veel kohe avastuse, leiutise või uus tehnoloogia argiellu jõudmist. "Põhimõtteliselt prinditi ka maju juba oma sada aastat tagasi, toona see oli aga üsna lihtsakoeline protsess," ütleb Tiismus: "Selleks, et printimine jõuaks igapäevaellu, on vaja arengut nii printimissüsteemides kui ka meetodites prinditavate asjade projekteerimisel."

Igaühele oma

Ants Kallaste soostub, et tõele au andes on 3D-printimise valdkonda uuritud väga vähe. Nõnda puudub selle reguleerimiseks standardiseeritud metoodika, materjalide omaduste osas valitseb palju teadmatust ning enamasti puuduvad konkreetse ülesande lahendamiseks ka vajalikud tööriistad. Kuni neid pole ja teadlased oma teadmistes alles lünki täidavad, kasutatakse praktikas juba argiellu jõudnud tehnoloogiaid.

See aga ei tähenda, et 3D-printimine hoogsalt ei arene. Näiteks on materjaliteadlastele laiaks uurimisvaldkonnaks kõikvõimalikud komposiitmaterjalid, mida on võimalik 3D-printimisega saada.

Esimesed metalliprinterid loodi kümmekond aastat tagasi. Seniste kogemuste põhjal suudavad need ühte materjali printida juba üpris edukalt. Praegu on tehnikaülikooli elektroenergeetika ja mehhatroonika instituudis kaks 3D-metalliprinterit. Neist üks suudab valmistada kuni seitsme sentimeetrise läbimõõduga detaile. Teine teeb kuni 28-sentimeetrise diameetriga objekte. Teadlaste soovunelm on, et lähemal ajal suudetakse instituuti hankida ka mitmekomponentne metalliprinter.

Laser kihtlisandus protsess. Autor/allikas: Tallinna Tehnikaülikool

Laser kihtlisandustootmise kasuks räägivad energiatõhusus ja materjalisääst. Kui tavapäraselt on elektrimootorite koostamisel tarvis hulk erinevaid tööriistu, rakiseid, käsitsitööd jmt, siis 3D-printeris jääb hulk tööetappe ära. Inseneril tarvitseb vaid teha CAD-fail, mis saadetakse printerisse ja masin prindib juba vastavalt failis kirjeldatule vajaliku objekti valmis.

Samas ei suuda 3D-printimine võistelda tehasekonveieriga suurte seeriate tootmisel töö kiiruses, sest printimine võtab suhteliselt palju aega. Materjal kantakse pinnale kiht kihi haaval, kusjuures ühe kihi paksus, mida laser objektile sulatab, on keskeltläbi 50 mikromeetrit. Nii võttis doktoritöö raames valmistatud mootori magnetiliste südamike prototüüpide valmistamiseks umbes 72 tundi.

Tööd jätkub

Elektrimootorite kasutegur sõltub paljuski kahte tüüpi kadudest – hüstereesi- ja pöörisvoolukadudest. Esimene neist oleneb masina magnetmaterjali omadustest. Teine tuleneb sellest, et magnetmaterjal on elektrit juhtiv. Pöörisvoolukadude vähendamiseks kasutatakse tavalises elektrimootorite rootorites omavahel isoleeritud elektrotehnilist terast. Ilma isoleeriva materjalita vaid elektrotehnilist terast printides saadakse monoliitne magnetsüdamik ning sellisel juhul kasvavad pöörisvoolukaod.

"Peame leidma lahenduse, kuidas pöörisvoolukaod alla saada, aga momendil ei ole väga head tehnoloogiat selle jaoks," nendivad teadlased: "Oleme kasutanud kärgstruktuure, mis võimaldavad neid kadusid mingil määral alla suruda. See tähendab tühimike printimist südamiku sisse, aga see tehnoloogia vajab veel edasiarendamist."

Suurte pöörisvoolukadude tõttu ei suuda need ka tavaliste elektrimootoritega laiatarbes konkureerida. Kuna kasutegur jääb tavamootoritele alla, pole teadlaste sõnul ka nende loodud mootor veel valmis.

Kui kaubandusliku 50W elektrimootori kasutegur on näiteks 52 protsenti, siis tehnikaülikooli laboris prinditud mootori kasutegur jääb 34 protsendi lähedale. Trafo puhul on vastavad näitajad 80 protsenti ja 70 protsenti. Seejuures tuleb siiski meeles pidada, et tegu on esimeste omalaadsete prototüüpidega maailmas. "Tegeleme prinditud südamike ehituse ja materjalide arendusega edasi ja tõenäoliselt jõuame varsti järele traditsiooniliselt toodetud masinatele," kinnitab Hans Tiismus.

Nii Kallaste kui ka Tiismus leiavad, et kui elektrimootorite masstootmisega 3D-printimine ilmselt võistelda ei suuda, võiks sellest tulevikus abi olla mingitesse konkreetse spetsiifikaga süsteemidesse vajalike omadustega mootorite integreerimisel.

3D-printimise leivanumber

"Printtehnoloogia võiks konkureerida projektitootmises. Need võiksid olla süsteemintegreeritud masinad. Seega ei osteta poest valmis masinat ega hakata seda siis süsteemi sobitama, vaid süsteemi projekteeritakse juba vajalik masin koos selle välimise kuju, sisuga ja karakteristikutega, nii nagu vaja," kirjeldab Ants Kallaste 3D-prinditud elektrimootorite võimalikku tulevikku: "See võib olla mis iganes, näiteks drooni, mingi käsitööriista või kosmoseseadme sisse ehitatud mootor."

"Eesmärk on optimeerida mootorit sedavõrd, et 3D-prinditud mootor oleks parem ja konkreetsesse kohta sobilikum kui tavaline mootor," lisab Tiismus. "See võib olla tavalisest palju kallim, aga sellisel puhul ei olegi hind enamasti niivõrd tähtis, kuivõrd just see masina sobivus süsteemi."

Mõne tööstuse konkreetne huvi asja vastu aitaks teadustöö edenemisele kõvasti kaasa, usub Kallaste. Ta märgib, et see paneks ka teadlased oma tegevust keskenduma ühe kindla probleemi lahendamisele või konkreetse ülesande täitmisele. Muidu lihtsalt võib akadeemiline teadus minna liialt teoreetiliseks, praktiseeriva tööstusettevõtte osalus paneks ka teadlased ühes kindlas suunas praktikasse sobivaid lahendusi otsima. Teadlased töötavadki ju iseenesest ikkagi selle nimel, et kasvõi mingi osa nende tööst jõuaks varem või hiljem ka tootmisse ja inimkonna käsutusse.

Hans Tiismust juhendasid Ants Kallaste ja Toomas Vaimann. Oponentideks olid Ahmed Jawad Qureshi Alberta Ülikoolist ja Jenni Pippuri-Mäkeläinen Soome Tehniliste Uuringute Keskusest VTT. Tutvu tööga Tallinna Tehnikaülikooli digikogus.

Toimetaja: Jaan-Juhan Oidermaa

Hea lugeja, näeme et kasutate vanemat brauseri versiooni või vähelevinud brauserit.

Parema ja terviklikuma kasutajakogemuse tagamiseks soovitame alla laadida uusim versioon mõnest meie toetatud brauserist: