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Optimising Turbo-Spindle Efficiency for Machining at Ultra-High Speed

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Nuova turbina per aumentare l’efficienza della microlavorazione

Lo sviluppo di turbine radiali in miniatura sembra predisposto per ottenere mandrini per una produzione ad alta velocità (dalla microlavorazione alle macchine per lo spruzzo di vernici) molto più efficiente in termini di energia.

Tecnologie industriali

In un mondo in cui la competizione per le risorse e l’inquinamento rendono la vita più difficile, il settore industriale sta cercando di creare attrezzature e macchinari più efficienti ed economici. Il progetto OpTEMUS (Optimising turbo-spindle efficiency for machining at ultra-high speed), finanziato dall’UE, ha studiato un metodo per migliorare l’efficienza energetica dei mandrini ad altissima velocità, utilizzati nelle macchine utensili di precisione. Le prime indagini del progetto OpTEMUS hanno rivelato che l’efficienza energetica dei mandrini a turbina disponibili in commercio (turbomandrini) è in genere inferiore al 20 %. Con l’obiettivo di aumentare l’efficienza del mandrino e il rapporto potenza-peso, riducendo al tempo stesso i costi, il team del progetto ha proposto una nuova turbina a 90 gradi caratterizzata da afflusso radiale, per l’utilizzo su mandrini adatti alla microlavorazione. Per migliorare le prestazioni del mandrino, il team di ricerca OpTEMUS ha proposto una turbina radiale in grado di sopportare un carico maggiore, la quale realizza una elevata efficienza, minimizzando inerzia, peso e dimensioni. Sono state utilizzate simulazioni di fluidodinamica computazionale per determinare parametri di progettazione quali spessore della lama, numero di pale, angolo del bordo di uscita relativo alla pala del rotore, e spazio radiale tra rotore e statore. Inoltre, il nuovo design vanta forze inferiori in quanto alla spinta della turbina, tali da ridurre il carico assiale sui cuscinetti del mandrino, così come una bassa velocità della pala, la quale contribuisce alla fabbricazione del rotore utilizzando una lega di magnesio per ulteriori risparmi di inerzia. Il nuovo prototipo di rotore per turbina, avente un diametro esterno di 25 mm e una larghezza della pala di ingresso di 1,9 mm, è stato costruito utilizzando una lega di alluminio. Il prototipo di mandrino pesa meno di 300 g e vanta una rigidezza radiale in condizioni statiche (nel portautensili) di 0,66 N/µm. Il turbomandrino di nuova concezione è stato messo in funzione con successo fino a 100 000 giri al minuto e ha totalizzato oltre 24 ore di funzionamento. Per misurare la coppia e la potenza di uscita, il prototipo di turbomandrino è stato collegato a un motore/generatore elettrico ad alta velocità e caricato con una serie di resistenze. Finora, è stato possibile raggiungere una potenza massima della turbina di circa 100 W e un rendimento superiore al 50 %, dimostrando così i possibili miglioramenti prestazionali. Grazie a questi risultati positivi, il team OpTEMUS ha unito le forze con dei partner industriali allo scopo di presentare due proposte di finanziamento per ulteriori progetti di ricerca. Inoltre, il team ha studiato le opzioni di commercializzazione per la nuova tecnologia, compreso il relativo potenziale beneficio per utensili elettrici, attrezzature di verniciatura a spruzzo e dispositivi medici/dentistici. Una volta che i risultati del progetto saranno pienamente sfruttati, il settore industriale sarà pronto a trarre beneficio da attrezzature di lavorazione molto più efficienti.

Parole chiave

Microlavorazione, macchinari, OPTEMUS, turbomandrino, turbina, efficienza

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