Vacuüm in houtbewerking – deel 1

Vacuümtechniek is overal binnen de houtbewerking. En er zijn veel manieren om vacuüm te gebruiken. Toch weten veel houtverwerkers en houtbewerkers maar weinig over vacuüm. Voor velen is het zelfs een wat ongemakkelijk onderwerp. In deze en de volgende drie artikelen veel nuttige informatie over verschillende soorten vacuümopwekking. Wat zijn de voor- en nadelen. En - niet geheel onbelangrijk - het economische rendement. Vandaag eerst de basis van vacuüm.

Vacuüm – wat is dat eigenlijk?

Bij houtbewerking wordt vacuüm voornamelijk gebruikt voor


Bij houtverwerking wordt vacuüm gebruikt voor

Vastzetten en optillen van houten onderdelen

Vacuüm wordt voornamelijk toegepast bij het opspannen op CNC-routers en andere bewerkingsapparatuur. Hierbij wordt de houdkracht van vacuüm gebruikt om verschillend plaatmateriaal of massief houten onderdelen stevig, snel en zonder druksporen op hun plaats te houden. Deze houdkracht wordt ook vaak toegepast bij handlingapparaten of pick-and-place robots.
Vanuit natuurkundig oogpunt is een vacuüm – of onderdruk – een drukbereik dat lager is dan de atmosferische druk. De atmosferische druk op zeeniveau is 1.013 millibar (mbar). Het neemt geleidelijk af bij toenemende hoogte (afb. 1). Ook het weer is van invloed op de atmosferische druk. In vacuümtechnologie is een vereenvoudigde berekening gebaseerd op een atmosferische of omgevingsdruk van 1.000 millibar. Een druk die lager is dan 1.000 mbar wordt vacuüm of onderdruk genoemd.

Eigenlijk moet volgens de normen voor drukbereik Pascal (Pa) worden gebruikt. Maar bij vacuüm is de meest gebruikte eenheid voor druk millibar (mbar). Binnen de vacuümtechniek wordt uitgegaan van absolute druk. In theorie begint deze bij 0 mbar en eindigt bij 1.000 mbar (= atmosferische druk). Vooral binnen de houtbewerkingsbranche wordt druk nog vaak aangegeven in bar, minus-bar (-bar) of de specificatie druk in procenten (%) (afb. 2).

Krachten bij opspannen met vacuüm

Blijft het opgespannen werkstuk op zijn plaats? Is het vacuüm voldoende? Heeft de vacuümpomp voldoende vermogen? Dit zijn relevante vragen. Zeker als het opgespannen werkstuk wordt bewerkt met roterend gereedschap. In theorie wordt bij het opspannen de druk tussen het werkstuk en de bewerkingstafel verlaagd. Er wordt vacuüm gegenereerd door lucht bij het draagvlak of zuignap af te zuigen. De nu hogere atmosferische druk duwt het werkstuk op de bewerkingstafel en “klemt” het dus vast. Fysieke druk wordt gedefinieerd als een kracht die op een bepaalde oppervlak werkt. De druk is daarom een functie tussen kracht en oppervlakte (afb. 3).

In de praktijk betekent dit, hoe groter het werkstuk, hoe groter de houdkracht. Een voorbeeld
Een massief houten paneel wordt voor bewerking op het rasterprofiel van een CNC-router geplaatst. Deze wordt afgedicht met een rubberen afdichting, die overeenkomt met de afmetingen van de plaat (afb. 4). Een vacuümpomp evacueert de lucht tussen de houten plaat en het rasterprofiel binnen het afgedichte gebied.

Berekening: Atmosferische druk: 1.000 mbar Vacuüm van vacuümpomp (werkdruk): 200 mbar Afmetingen houten paneel: 1.000 x 500 mm

Drukverschil: 1.000 mbar – 200 mbar = 800 mbar = 80.000 Pa [N/m²]

Draagvlak = opspanvlak 1.000 x 500 mm = 500.000 mm² = 0,5 m²

Houdkracht F = p x A F = 80.000 N/m² x 0,5 m² =
40.000 N = 4.000 kg

Dit betekent dat de massief houten plaat met een oppervlakte van 0,5 m² op zijn plaats wordt gehouden door een vacuüm met een houdkracht van 40.000 N. Theoretisch is dit te vergelijken met een gewicht van 4 ton waarmee de plaat tegen de bewerkingstafel wordt gedrukt. Als onder dezelfde omstandigheden een massieve houten plaat van 150 x 150 mm wordt opgespannen, is de houdkracht F = 80.000 N/m² x 0,0225 m² = 1800 N = 180 kg vereist.
De vraag is nu hoe groot de verticale houdkracht van het vacuüm moet zijn om het werkstuk veilig op te spannen. De rekenvoorbeelden laten zien dat de houdkracht voor plaatmateriaal met een grote oppervlakte veel minder kritisch is, dan die voor kleinere houten werkstukken. Of voor materialen die een luchtdoorlatend of een ongelijkmatig - dat wil zeggen lek - oppervlak hebben. In de praktijk is het lastig om de benodigde houdkracht te bepalen. Er moet rekening worden gehouden met verschillende factoren. Werk- of opspanfactoren, snijsnelheden, toevoersnelheid en -richting, materialen en wrijvingsweerstand.

Verschillende mogelijkheden voor het opspannen met vacuüm

Er wordt onderscheid gemaakt tussen drie vacuüm-opspanmethodes:

Parameters vacuümtechniek

Er zijn in principe drie parameters om rekening mee te houden bij het selecteren van de meest geschikte vacuümtechniek.

Einddruk

De einddruk is het hoogst bereikbare vacuümniveau, oftewel de laagste onderdruk.

Pompsnelheid

Dit verwijst naar de hoeveelheid lucht die een vacuümpomp in een bepaalde tijd kan afzuigen. De pompsnelheid wordt beïnvloed door de geometrie (het volume) van de vacuümpomp en het toerental. Hoe hoger de pompsnelheid, hoe sneller de lucht wordt afgezogen en de einddruk wordt bereikt. Hoge pompsnelheden helpen om lekkages te compenseren. Bijvoorbeeld bij gebruik van de nestingmethode.

Energieverbruik

Mechanische vacuümpompen worden doorgaans aangedreven met een elektromotor. Afhankelijk van het ontwerpprincipe en de efficiëntie verbruiken vacuümpompen verschillende hoeveelheden energie. Om de energie-efficiëntie te maximaliseren is het belangrijk om een vacuümpomp te kiezen die de vereiste einddruk en pompsnelheid levert. Daarbij moet de pomp zo min mogelijk energie verbruiken.

De drie parameters zijn afhankelijk van elkaar. Enerzijds neemt de pompsnelheid af naarmate de vacuümpomp de einddruk dichter nadert (afb. 4). Anderzijds is de energievraag van een vacuümpomp het laagst bij een bepaald werkpunt. Het ontwerpen van perfecte vacuümtechniek is lastig. Vraag daarom altijd advies van een vacuümspecialist.

Het tweede deel van de serie "Vacuüm in houtbewerking" gaat over verschillende soorten vacuümopwekking.