10. veebruaril selgusid riigi teaduspreemiate tänavused laureaadid. Tallinna Tehnikaülikooli inseneriteaduskonna teadlastest pälvisid aastapreemia Ants Kallaste, Toomas Vaimann, Anton Rassõlkin ja Hans Tiismus. Õnnitleme kogu inseneriteaduskonna poolt!
Laureaadid arendavad kihtlisandustehnoloogiat kui ühte 3D printimise meetodit mitmesuguste elektriseadmete ja nende komponentide valmistamiseks, aga ka matemaatilisi meetodeid tehnoloogiliste protsesside ja elektrimasinate konstruktsiooni optimeerimiseks. Läbimurdeline on selektiivsel lasersulandamisel põhineva tehnoloogia kasutuselevõtt ja arendamine Eestis.
Viimase nelja aasta jooksul kestnud kihtlisandustehnoloogial toodetud elektrimasinate alane teadustöö on maailmas unikaalne ning Tallinna Tehnikaülikooli elektrimasinate töörühma kompetents ja edusammud nimetatud teemal on rühma tõstnud antud valdkonnas maailma tipptasemele.
Aga mis peitub keeruliste sõnade ja tehnoloogiate taga? Ning kuidas peaks tulevikus meie elu tänu sellele teadus- ja arendustööle paremaks ja lihtsamaks muutuma, uurisime otse töörühma käest järele.
Tänapäevastelt elektrimasinatelt nõutakse üha enam, et nad oleksid võimalikult energiaefektiivsed, mugavalt süsteemiga integreeritavad ning oma mõõtmetelt väikesed, sobimaks mobiilsetes seadmetes kasutamiseks. See on tekitanud vajaduse elektrimasinate arenduses otsida uusi ja võimalikult soodsaid tootmisvõimalusi.
3D printerite turule tulek on andnud võimaluse innovaatiliste väikeseeria toodete arenguks. Tänu lühematele tarneahelatele ja kiiremale väljatöötamisajale on võimalik 3D printimise abil kiirelt ja odavalt toota prototüüp-seadmeid. See on ka viinud vajaduseni töötada välja elektrimasinate lahendused, mille tootmiseks oleks otstarbekas kasutada 3D printerit.
"3D-printimist arendatakse selgelt eesmärgiga, et seda saaks kasutusse võtta tööstuses. Siiski on veel päris palju probleeme, mis vajavad lahendamist. Sellega me tegelemegi," ütleb elektrimasinate uurimisrühma juht Ants Kallaste. „Seeriatootmises muutuvad nõuded üha karmimaks ja rääkima hakatakse masina nn elutsükli tõhususest. Ehk siis kui palju jäädet tekib masina valmistamisel, kuidas jääde uuesti kasutusele võetakse, kuidas see hiljem utiliseeritakse. Siin on 3D-printimine loonud jälle uued võimalused," selgitab ta.
Erinevalt seeriatootmisest hoiab 3D-printer kokku materjali ja võimaldab teha erikujulisi lahendusi näiteks lennumasinatesse ja kosmosetehnikasse. Kuna 3D-prinditud ese sobib äärmuslikesse tingimustesse ja on samas kerge, tunnevadki meetodi vastu huvi just lennundus- ja kosmoseettevõtted.
3D-printimise tehnoloogia ise pole vanemteaduri ja elektrimasinate uurimisrühma liikme Toomas Vaimanni sõnul enam uus: prinditakse näiteks plasti, metalli ja betooni. Küll aga on uus suund seadmete ja koostete 3D-printimine. "Üks on elektroonikavidinate printimine ja teine on see, mida meie tahtsime näidata ehk elektrimasinate printimine, mida hetkel teostame selektiivse lasersulandamisega" selgitab Vaimann. „Selektiivne lasersulandamine tähendab seda, et printeri tööpinnale kantakse õhuke kiht metallipulbrit, seejärel sulatatakse laseriga vastavalt joonisele sellest prinditava objekti üks kiht. Kui see valmis, liigub töötasapind allapoole ja kogu protsess algab uuesti", lisab ta.
Uurija sõnul kulub 3D-printides materjali vähem, kuna printerijääk on masina printimiseks kulunud pulber, mida saab kohe uuesti kasutusse võtta. Samuti võimaldab uus meetod teha suurema võimsustihedusega esemeid, mis ei kuumene väikesele pinnale vaatamata üle, vähendades sel moel kadusid.
Komplekssete süsteemide traditsioonilistel meetoditel valmistamine (näiteks tööstuspingi abil) nõuab arvestatavat ajakulu ning detailide järeltöötlus ning komplekteerimine omakorda suurt inimtöö hulka. Tootmise automatiseerimine 3D printimise abil aitab prototüüpimisele kuluvat aega oluliselt vähendada.
Elektrimasinate olulisemateks komponendiks on mähised, mille ülesandeks on voolu juhtimine, elektrotehniline teras, mis juhib magnetvälja, ning isolatsioon, mis isoleerib üksteisest kõik juhtivad osad. Kõiki mainitud komponente on võimalik printida, kuid hetkel on peamiseks puuduseks asjaolu, 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 samuti tõstab masinate efektiivsust. Õõnsate juhtide loomise abil on võimalik parandada masina jahutustingimusi. Muuhulgas saab tehnoloogiliselt parandada ka teisi omadusi nagu masina mass, inertsmoment, kiirendusomadused, dünaamika jne.
Kallaste sõnul on neil praeguseks valmis prinditud mõned elektrimasinate prototüübid. Tööstuslikult kasutatavat 3D-prinditud masinat pole maailmas aga veel kellelgi. Enne tuleb uurijate sõnul lahendada rida murekohti.
"Kuigi 3D-printimine tundub olevat väga tore võimalus, et paneme aga materjali printerisse ja sealt tuleb kohe masin välja, siis päris nii lihtne see ei ole," möönab Kallaste. Nimelt vajab printerist tulnud masin praegu veel omajagu järeltöötlust. Esiteks on äsja prinditud masinal küljes erinevad tugistruktuurid. "Kui sul on vaja mõni imeliku kujuga asi teha, siis selleks, et see printimise protsessil ära ei laguneks, prinditakse sinna justkui pisikesed vardad külge," kirjeldab Vaimann. Järeltöötluses tuleb need vardad eemaldada ja metalli pind viimistleda.
Teiseks vajab 3D prinditud elektrimasin Kallaste sõnul termotöötlust, et selle magnetmaterjalide omadused oleksid õiged. "Prinditud masin tuleb ahju panna, kuumutada ja siis uuesti maha jahutada, et saada materjali omadused paika. See parandab oluliselt materjali magnetilisi parameetreid," selgitab ta.
Järeltöötluse kõrval on arendamist vajavaid kohti veel. Kallaste sõnul koosneb elektrimasin peamiselt kolmest materjalist: elektrotehnilisest terasest, elektrijuhist ehk vasktraadist ja isolatsioonist nende vahel. "Kui tahaksid neid kõiki korraga printida, siis sul peaks olema vähemalt kolme-komponendine printer," osutab uurija. Vaimanni sõnul on juba olemas kahe-komponendiseid printereid. Kolmekomponendise printeri valmistamine saab Kallaste sõnul aga olema väljakutse, sest teras ja vask vajavad erinevaid printimistingimusi.
Uurimisainest pakub seegi, kuidas vähendada 3D-printimisel elektrimasina kadusid. "Traditsioonilisel meetodil valmistatakse näiteks masina pöörlev osa ehk rootor isoleeritud lehtterase kihtidest. Need pannakse järjest üksteisega kokku, kuni saadakse vajaliku suurusega kooste," ütleb Vaimann. Samaväärset rootorit 3D-printides on tulemuseks hoopis teistsuguste magnetiliste omadustega rauatükk. "See suurendab kadusid. Nüüd ongi vaja välja mõelda lahendusi, mismoodi seda rauakobakat teha natuke vähem kobakaks, ehk sarnasemaks kihtidest kokkupandud rootorile," jätkab ta. Uurimisrühm ise on proovinud printida kärgstruktuure, ent Vaimanni sõnul võib proovida ka printida terasele isoleerivat materjali vahele.
Elektroenergeetika ja mehhatroonika instituudi elektrimasinate uurimisrühmas lahendatavate küsimuste hulka kuuluvad nii masinatüüpide defineerimine, mis on sobivad 3D printimiseks aga ka printimistehnoloogiate sobitamine masinate printimise teostamiseks. Materjali omadused, järeltöötluse vajadus ja selle lihtsustamine, struktuuri optimeerimine, 3D prinditud elektrimasinate rakendused ja potentsiaalsete rikete diagnoosimise võimalused on vaid mõned märksõnad, millega käimasolev teadustöö kokku puutub. Peamiseks eesmärgiks on seatud täielikult 3D prinditud töötava elektrimootori loomine. Praeguseks on tudengitega koostöös valmistatud mitmeid prototüüpe, et demonstreerida tehnoloogia võimekust ja rakendatavust, hõlmates erinevaid pöörlevate elektrimasinate tüüpe, transformaatorit ning sidurit.
Kui sulle tundub teema põnev ning tahaksid olla osa meeskonnast, kes suudab tööle panna esimese 3-D prinditud elektrimootori, siis tule õppima energiamuundus- ja juhtimissüsteemide magistriõppesse ja oma tuleviku lood juba ise!