Elektrimootorite 3D-printimine ei ole ulme

Maailmas ülikiirelt arenevaid 3D-printimise tehnoloogiaid loetakse oluliseks sammuks järgmise tööstusrevolutsiooni suunas, kusjuures selle üks olulisemaid omadusi on väga keeruliste struktuuride detsentreeritud tootmise võimalus. Tehnoloogia paindlikkus võimaldab ka elektromehhaaniliste komponentide ja isegi elektrimasinate tootmist, mille omadused võivad olla oluliselt paremad kui traditsiooniliste tehnoloogiate abil toodetud detailidel ja seadmetel. Kirjutavad Tallinna Tehnikaülikooli vanemteadur Toomas Vaimann ja professor Ants Kallaste. 

Tänapäevastelt elektrimasinatelt nõutakse üha enam, et need oleks võimalikult energiaefektiivsed, süsteemiga mugavalt integreeritavad ja mõõtmetelt väikesed, sobimaks mobiilsetes seadmetes kasutamiseks. See on tekitanud vajaduse otsida elektrimasinate arenduses uusi ja võimalikult soodsaid tootmisvõimalusi. 

3D-printerite turuletulek võimaldab areneda innovaatilistel väikeseeria toodetel. Tänu lühemale tarneahelale ja kiiremale väljatöötamisajale saab prototüüpe toota kiirelt ja odavalt. See tehnoloogia on suhteliselt uus, võimaldades toota otseste tööriistadeta seadme komponente või terveid koosteid otse CAD-failist. Praegu ei ole antud tehnoloogia veel laialdaselt tööstuslikult kasutusel, kuid selle populaarsus üha suureneb. Nii ongi vaja töötada välja elektrimasinate lahendusi, mille tootmiseks oleks otstarbekas kasutada 3D-printerit.

Jutt ei käi seeriatootmisse sobivatest elektrimasinatest, vaid eelkõige ühel või teisel põhjusel keerulise struktuuriga mootoritest, mida traditsioonilistel viisidel on keerukas või võimatu valmistada. Samuti on 3D-printimine atraktiivne kiirete prototüüpide loomiseks, ideede katsetamiseks või karakteriseerimiseks. 

Sarnaste projektidega on tööd alustanud ka maailma suuremad kontsernid. Nii on General Electric hakanud 3D-printimist kasutama keerulise konstruktsiooniga ning ülimat täpsust nõudvate osiste valmistamiseks. United Technologies arenduskeskus uurib 3D-printimise võimalikkust tuuleenergeetika ja elektersõidukite masinate valmistamiseks. Esimest väidetavalt täielikult 3D-prinditud elektrimasinat esitleti Saksamaal Hannoveri messil 2017. aasta kevadel. Kõik mainitud arendustegevused on alles algusjärgus, tehes esimesi samme  tehnoloogia kasutusevõtu suunas. Jõudsalt on arenemas ka 3D-printimise tehnoloogia ise. 

Uus tehnoloogia, paremad masinad

Komplekssete süsteemide traditsioonilistel meetoditel valmistamine (näiteks CNC-pingi abil) nõuab palju aega ja detailide järeltöötlus ning komplekteerimine omakorda suurt inimtöö hulka. Tootmise automatiseerimine 3D-printimise abil aitab vähendada oluliselt prototüüpimisele kuluvat aega. Suurim efekt avaldub just väiksema kubatuuriga masinate valmistamisel, kus traditsioonilistel meetoditel pisidetailide täppistootmine on tolerantside ja manuaalsete operatsioonide tõttu nii aja- kui töömahukas. 

Elektrimasinate olulisimad komponendid on mähised, mille ülesanne on voolu juhtimine. Lisaks elektrotehniline teras, mis juhib magnetvälja ja isolatsioon, mis isoleerib üksteisest kõik juhtivad osad. Kõiki mainitud komponente on võimalik printida, kuid praegu seisneb peamine puudus selles, et neid ei ole võimalik toota samaaegselt. Siiski, ka nende detailide eraldi printimine aitab saavutada elektrimootorite tootmises uut taset ja tõstab efektiivsust. 

Läbi 3D-printimise on võimalik konstrueerida väga keerulisi sisestruktuure, õõnsaid konstruktsioone ning õhukesi, alates 60 μm läbimõõduga, kuid mitme sentimeetri kõrguseid kihte. Selliste keeruliste struktuuride abil on võimalik oluliselt tõsta masina uurete täitetegurit, mis tõstab samuti masinate efektiivsust. Õõnsate juhtide loomise abil on võimalik parandada masina jahutustingimusi. Muu hulgas saab tehnoloogiliselt parandada omadusi nagu masina mass, inertsmoment, kiirendusomadused, dünaamika jne. 

Eesti esimene 3D-prinditud elektrimootor

Vastavate uuringute ja arendustööga tegeleb Eestis Tallinna Tehnikaülikooli elektroenergeetika ja mehhatroonika instituudi elektrimasinate uurimisrühm. Prototüübi loomise vajalikkus seisnes tehnoloogia võimaluste näitamises, kaasates protsessi ka tehnikaüliõpilasi. Oli tarvidus tõestada, et 3D-printimise tehnoloogiale tuginedes on võimalik printida funktsionaalset elektrimootorit ja samas avanes tudengitele võimalus lüüa kaasa tulevikutehnoloogiaga seotud teadustöös.  

Koostöös üliõpilastega valiti prinditava elektrimasina tüübiks aksiaalvooga samm-mootor. Valikul on mitu põhjust. Eelkõige on tegu väga lihtsa rootori konstruktsiooniga, kus on vajalik ainult üht tüüpi metallisulam. Lisaks on sellist koostet mugav printida tehnikaülikoolis kasutusel oleva SLM-tehnoloogial põhineva lasersulatus metalliprinteril, sest metallipulbri vahetamine printimisprotsessi ajal ei ole vajalik. Disainiprotsessis koostati loodava masina CAD-mudel, mille korrektsust elektromagnetilises mõttes kontrolliti lõplike elementide meetodi abil vastaval arvutustarkvaral. Mootori suurimateks välismõõtmeteks valiti seoses printeri piirangutega 65×60 mm, printimise materjalina kasutati raua ja räni segu.

Seoses detailide mõõtmetega viidi elektrimootori printimine läbi viies etapis. Kokku kestis protsess 57 tundi, millest rootor 11 tundi, staatori kumbki pool 19 tundi ja staatori hambad 8 tundi. Printimiseks kasutati SLM Solutions GmbH Realizer SLM-50 lasersulatus metalliprinterit, mis on suhteliselt kompaktne ja mida on mugav kasutada. Printeril on ümmargune printimise platvorm, millele lisatakse kihiti metallipulbrit. CAD-faili alusel sulatab laser kihiti kokku vajaliku vormi. 

Metalliprintimise eripäraks on see, et osade vormide printimisel läheb vaja  tugistruktuure eesmärgiga toestada seest õõnsaid või potentsiaalselt oma kuju kaotavaid osi. Printimisprotsessi lõppedes on vajalik tugede eemaldamine ja pindade järeltöötlus. Lisaks pinnakareduse eemaldamisele on oluline tagada korrosioonikindlus. 

Antud juhul ei olnud tegu optimeeritud lahenduse ega ka ühtse tervikliku printimise sessiooniga. Tegelikkuses oli printimise etappe mitu. Masinas vajaminevad mähiseid ja laagreid antud hetkel ei prinditud, kuigi kiirelt areneva 3D-printimise tehnoloogia puhul on ka see tänaseks võimalik. Samuti pandi prinditud mootori osad käsitsi kokku. Sellest hoolimata võib antud koostet pidada Eesti esimeseks 3D-prinditud elektrimootori prototüübiks. Tehnoloogiline protsess ja kogu tootmisahela parem kombineerimine ning automatiseerimine on osaks suuremast teadustöö tsüklist.

Teadustöö Eestis

TTÜ elektroenergeetika ja mehhatroonika instituudi elektrimasinate uurimisrühmas käib elektrimasinate 3D-printimisalane teadustöö. Lahendatavate küsimuste hulka kuuluvad nii masinatüüpide defineerimine, mis on sobivad 3D-printimiseks, aga ka printimistehnoloogiate sobitamine masinate printimiseks. Materjali omadused, järeltöötluse vajadus ja selle lihtsustamine, struktuuri optimeerimine, 3D-prinditud elektrimasinate rakendused ja potentsiaalsete rikete diagnoosimise võimalused – need on vaid mõned märksõnad, millega teadustöö kokku puutub. Peamine eesmärk on luua täielikult 3D-prinditud ning töötav elektrimootor. 

Mõningaid teadustulemusi leiab huvitatud lugeja ka allolevast rahvusvahelises teadusajakirjas avaldatud artiklist:

Tiismus, H.; Kallaste, A.; Belahcen, A.; Vaimann, T.; Rassõlkin, A.; Lukichev, D. „Hysteresis measurements and numerical losses segregation of additively manufactured silicon steel for 3D printing electrical machines. Applied Sciences, 2020, 10 (18), 6515.

Antud teadustööd toetab Eesti Haridus- ja Teadusministeerium läbi Eesti Teadusagentuuri grandi PSG137 „3D-prinditud elektrimasinad“.