Kugghjul

Forskare vid Göteborgs universitet har konstruerat ljusdrivna kugghjul i mikrometerskala. Detta öppnar vägen för historiens minsta mikrochip-motorer som ryms inuti ett hårstrå.

Kugghjul finns överallt – från klockor och bilar till robotar och vindkraftverk. I mer än 30 år har forskare försökt skapa ännu mindre kugghjul för att kunna konstruera mikromotorer. Men det har tagit stopp vid 0,1 millimeter, mindre gick det inte att bygga de drivlinor som behövdes för att få dem att röra sig.

Forskare från bland annat Göteborgs universitet, har nu brutit igenom den barriären genom att skippa traditionella mekaniska drivlinor och i stället använda sig av laserljus som sätter kugghjulen i rörelse direkt.

Kugghjul som drivs av ljus

I sin nya studie visar forskarna att mikroskopiska maskiner kan drivas av optiska metaytor – små, mönstrade strukturer som kan fånga och styra ljus i nanoskala. Med traditionell litografi tillverkas kugghjul med en optisk metayta av kisel direkt på ett mikrochip, kugghjulet har en diameter på några tiotals mikrometer. Genom att lysa på metaytan med laser kan forskarna få kugghjulet att snurra. Intensiteten i laserljuset styr hastigheten och det går också att byta riktning på kugghjulets rörelse genom att ändra polarisationen på lasern.

Forskarna är därmed nära att skapa mikromotorer.

Nytt sätt att tänka

– Vi har byggt ett kugghjulstråg där ett ljusdrivet kugghjul sätter hela kedjan i rörelse. Kugghjulen kan också omvandla rotation till en linjär rörelse, utföra periodiska rörelser och styra mikroskopiska speglar för att avleda ljus, säger studiens försteförfattare Gan Wang, forskare i mjuk materia vid Göteborgs universitet.

Möjligheten att integrera sådana maskiner direkt på ett chip och driva dem med ljus öppnar helt nya möjligheter. Eftersom laserljuset inte kräver någon fast kontakt med maskinen och är lätt att kontrollera kan mikromotorn skalas upp till komplexa mikrosystem.

– Detta är ett fundamentalt nytt sätt att tänka på mekanik i mikroskala. Genom att ersätta skrymmande kopplingar med ljus kan vi äntligen övervinna storleksbarriären, säger Gan Wang.

Cellstorlek

Med dessa framsteg börjar forskarna att föreställa sig mikro- och nanomaskiner som kan styra ljus, manipulera små partiklar eller integreras i framtida lab-on-a-chip-system. Ett kugghjul kan vara så litet som 16–20 mikrometer och det finns mänskliga celler i den storleken. Medicin är ett fält som ligger inom räckhåll, tror Gan Wang.

– Vi kan använda de nya mikromotorerna som pumpar inne i människokroppen, för att till exempel reglera olika flöden. Jag tittar även på hur de fungerar som ventiler som öppnar och stänger sig.

Grindel är en av våra europiska tillverkare som är specialiserade på att ta fram precisionstillverkade kugghjul och axlar efter dina behov och krav.

Med över 45 års branscherfarenhet är spanska Grindel en trygg och pålitlig leverantör av anpassningsbara och högkvalitativa kugghjul och axlar. Produkterna är kända för sin höga precision och hållbarhet och anpassningsalternativen är många.

Grindels produkter används globalt i allt från kranar och lyftutrustning till maskinindustri och specialfordon och uppfyller de strängaste internationella kvalitetsstandarderna som DIN, ISO och AGMA.

Varför välja produkter från Grindel:

• Precision och kvalitet: Tillverkas med högsta möjliga precision och kvalitet enligt internationella standarder.
• Anpassningsbarhet: Möjlighet att anpassa produkter enligt specifika kundbehov och applikationer.
• Bred tillämpbarhet: Används inom en mängd olika industriella applikationer, från specialfordon till kranar.
• Tillförlitlig leverantör: Lång erfarenhet och en stark position på den internationella marknaden som pålitlig leverantör.

Utöver kugghjul har Grindel, som har sina rötter i verktygsmaskinsindustrin, stor erfarenhet av tillverkning av splinesaxlar. Vid tillverkning av svarvar och specialmaskiner är splinesaxlar viktiga komponenter.

Läs mer på oemmotor.se

Fråga: Hur tillverkar man ett kugghjul som är 16 meter i diameter och väger 500 ton? Svar: Man använder en karusellsvarv. Karusellsvarvar är verktygsmaskiner med vertikal arbetsspindel som gör det möjligt att tillverka tunga och stora arbetsstycken med högsta precision. Vi har tagit fram sju fakta som översiktligt och grundläggande förklarar karusellsvarvens funktionssätt och användningsområden.

1) Karusellsvarvar används för bearbetning av särskilt stora arbetsstycken

En karusellsvarv är en metallsvarv med vertikal arbetsspindel, utvecklad särskilt för bearbetning av stora och tunga arbetsobjekt. Den klassiska supportsvarven har en horisontell arbetsspindel där det fastspända, roterande arbetsstycket bearbetas från sidan. Karusellsvarven har istället en vertikalt roterande spindel som gör det möjligt att svarva ämnen med mycket större dimensioner.

I en karusellsvarv spänns stora arbetsstycken centrerat fast på en horisontellt roterande planskiva, en typ av arbetsbord som avsevärt förenklar hanteringen av tunga och stora ämnen. Planskivan i en karusellsvarv mäter ofta över 5 meter i diameter – i vissa fall över 10 meter! Den vilar på en hydrostatisk glidlagring som tål extremt tunga arbetsstycken med vikt upp till över 100 ton. Konstruktionssättet gör att karusellsvarven är särskilt väl lämpad för svarvning av stora och runda arbetsobjekt, t.ex. löphjul i turbiner eller pumpar.

2) Karusellsvarvens bearbetning är ytterst exakt

Trots sin väl tilltagna storlek präglas karusellsvarven ändå av förmågan till bearbetning med hög precision, även vid produktion i mycket komplexa tillverkningsprocesser. Här utnyttjas karusellsvarvens fördel att bearbetade arbetsstycken kan spännas fast på planskivan i exakt samma läge som vid den slutliga monteringen. Vid krav på särskilt hög precision kan hela bearbetningen ske i en enda uppspänning, så att de små avvikelser som alltid blir följden av varje ny fastspänning kan undvikas.

Det finns två olika grundkonstruktioner av karusellsvarv, antingen har den två eller endast en verktygspelare. På enpelarsvarven sitter en tvärbalk med monterat skärverktyg ensidigt fästad till den vertikalt uppställda pelaren. På tvåpelarsvarven sitter tvärbalken med verktygshållare däremot fästad i två pelare genom en s.k. portalkonstruktion. Portalen ger stor stadga och säkerställer därmed extra hög precision vid bearbetningen. En tvåpelarsvarv kan ofta prestera en positioneringsnoggrannhet på ca 0,006 mm/m och en repeternoggrannhet på ca 0,0035 mm/m.

3) En karusellsvarv uppnår hög effektivitet genom kortare bearbetningstider

Om flera arbetsspindlar fästs vid tvärbalken minskar den erforderliga arbetstiden genom möjligheten till parallell körning med olika verktyg. Särskilt portalkonstruktionen medger fristående och samtidig bearbetning med upp till tre olika skärverktyg. Används ett automatiskt växelmagasin med snabbt verktygsbyte kan ställtiderna minskas ytterligare. Slutligen är själva maskinkonstruktionen i sig en faktor som ger kortare bearbetningstider, eftersom antalet lossningar och ny fastspänning av arbetsobjekt kan minimeras.

4) Karusellsvarvar är en väl beprövad maskintyp

Den första svarven av karuselltyp utvecklades redan 1839 av den schweiziske ingenjören Johann Georg Bodmer. Bodmer, som var verksam i England, tog fram den första svarven med vertikal arbetsspindel och horisontell planskiva. Maskintypen blev snabbt populär, först i USA under slutet av 1800-talet och senare även i Europa. Redan på detta tidiga stadium fanns karusellsvarven i olika konstruktioner – med en eller två pelare, med fasta eller rörliga pelare, och med olika antal verktygshållare.

Under 1930-talet ökade efterfrågan på större vattenturbiner, vilket gav upphov till en utveckling av tvåpelarsvarvar där hela portalen var rörlig. Planskivorna i dessa imponerande portalkarusellsvarvar kunde mäta upp till 18 meter i diameter. Efter andra världskrigets slut fick istället den öppna karusellsvarven med endast en pelare ett starkt uppsving. Denna utveckling vände återigen när kraven på noggrannhet och avverkningskapacitet ökade alltmer. Tvåpelarsystemen kan nämligen möta dessa krav bättre och har därmed nu blivit den vanligare maskintypen.

5) Karusellsvarven lämpar sig väl för produktion av enstaka arbetsobjekt och små serier

Karusellsvarvens konstruktion och storlek innebär att den främst används för enstyckstillverkning eller små produktionsserier. Rent allmänt är det dessutom ovanligt att riktigt stora detaljer behöver massproduceras. Små serier kan tillverkas med hög effektivitet i en karusellsvarv. Det beror främst på att ämnet ofta kan färdigbearbetas i en enda uppspänning, dvs. utan att behöva lossas och spännas fast i ett nytt läge.

6) Karusellsvarven är en mångsidig maskin

Karusellsvarvar kan utnyttjas i industriella tillämpningar av många olika slag. Inom luft- och rymdfart, energiteknik, stålindustri och offshore-teknik är karusellsvarven en standardmaskin. Svarvtypen har dessutom ofta en nyckelroll inom allmän maskinkonstruktion och har stor betydelse vid tillverkning av motorer, andra framdriftsaggregat och allmänt apparatbygge. En karusellsvarv ger utmärkta resultat oavsett vilket material som bearbetas, det kan vara gjutna eller smidda arbetsstycken, svetsade konstruktioner eller aluminiumgods. Vissa karusellsvarvar kan även utrustas med fräs- och sliptillsatser för ytterligare utökade arbetsområden. Komplexa arbetsobjekt som typiskt tillverkas i en karusellsvarv är turbinskovlar, rotorhjul, stora kugghjul samt tryckkärl för nukleära eller kemiska reaktorer.

7) Karusellsvarvar är dyra

En karusellsvarv är en stor och komplex maskin utrustad med många tekniska möjligheter och den betingar därför ett högt pris. Detta är orsaken till att många företag väljer den kostnadseffektiva lösningen att anskaffa en begagnad karusellsvarv. Ett exempel finns här: SIRMU VTMP 280 C, en karusellsvarv med två pelare, som ligger ute för direktköp på plattformen Surplex.com. Den har en planskiva med en diameter på 2,8 m och kan bära ämnen med vikt upp till 42 ton, vilket gör maskinen till en medelstor karusellsvarv. Maskinen är förutom svarvverktyg även utrustad med ett fräs- och sliphuvud – vilket dock behöver repareras innan det kan användas. Maskinen finns i Kreuztal i regionen Nordrhein-Westfalen i västra Tyskland. Modellserien VMTP erbjuder en eftertraktad kombination av bearbetningsprecision, hög avverkningskapacitet och styvhet. Detta erbjudande är ett bra exempel på hur framgångsrika företag kan få tillgång till avancerad produktionsteknik för en bråkdel av nypriset