Vakuum při zpracování dřeva – 1. část

V průmyslu zpracování dřeva je vakuová technologie všudypřítomná. Možnosti použití vakua jsou velmi rozmanité. Pro mnoho zpracovatelů dřeva a truhlářů je však téma vakua často neznámé, ne-li přímo nepříjemné. V tomto a dalších třech článcích bychom se chtěli podělit o některé užitečné informace, abychom vysvětlili různé typy generování vakua, jejich výhody a nevýhody a v neposlední řadě zdůraznili otázku ekonomické efektivity. Dnes začneme několika základními myšlenkami na téma vakua.

Vakuum – co to vlastně je?

Ve zpracování dřeva je vakuum používáno zejména pro:


V procesech zpracování dřeva se vakuum používá pro:

Uchopení a zvedání dřevěných dílů

Vakuum se nejčastěji používá pro vakuové upínání na CNC frézkách a dalších obráběcích zařízeních. Zde se přídržná síla vakua používá k rychlému a bezpečnému upevnění různých deskových materiálů nebo dílů z masivního dřeva při jejich opracování, aniž by zanechala stopy po tlaku. Manipulační zařízení a montážní roboti také často používají přídržnou sílu vakua.
Čistě fyzikálně řečeno je vakuum – známé také jako podtlak – rozsah tlaku, ve kterém je tlak nižší než atmosférický tlak. Atmosférický tlak na úrovni hladiny moře je 1013 milibarů (mbar), ale v závislosti na nadmořské výšce neustále klesá (obr. 1). Atmosférický tlak je také ovlivňován počasím. V kontextu vakuové technologie zjednodušujeme výpočty zaokrouhlením atmosférického nebo okolního tlaku na 1 000 mbar. Tlaky nižší než 1 000 mbar se označují jako vakuum nebo podtlak.

Nejběžnější jednotkou tlaku pro vakuum je milibar (mbar), i když podle norem se rozsah tlaku má udávat v pascalech (Pa). Ve vakuové technologii předpokládáme absolutní tlaky, které teoreticky začínají při 0 mbar a končí při 1 000 mbar (= atmosférický tlak). Zejména v dřevozpracujícím průmyslu se stále často používá bar, minus-bar (-bar) nebo specifikace tlaku v procentech (%) (obr. 2).

Síly při upínání vakuem

Bude upnutý obrobek držet? Je vakuum dostatečné nebo je výkon vývěvy dostatečně silný? To jsou otázky, které si kladou všichni – nejpozději tehdy, když se rotující nástroj blíží k upnutému obrobku. Z čistě teoretického hlediska se tlak mezi obrobkem a obráběcím stolem, opěrnou plochou nebo přísavkou při upínání snižuje odsáváním vzduchu a vytvářením vakua. Atmosférický tlak je nyní vyšší a přitlačuje obrobek k obráběcímu stolu, čímž jej „upíná“. Fyzikální tlak je definován jako síla působící na určitou plochu. Tlak je tedy funkcí síly a plochy (obr. 3).

V praxi to znamená: čím větší je uchycený obrobek, tím větší je přídržná síla. To lze nejlépe vysvětlit na příkladu:
Na rastrový pracovní stůl CNC frézky se ke zpracování položí deska z pevného dřeva a vytvoří se těsnění pomocí gumového těsnění odpovídající rozměrům desky (obr. 4). Vývěva odsaje vzduch mezi dřevěnou deskou a rastrovým stolem v utěsněné oblasti.

Výpočet: Atmosférický tlak: 1 000 mbar Podtlak vývěvy (pracovní tlak): 200 mbar Rozměry dřevěné desky: 1000 x 500 mm

Tlakový rozdíl: 1,000 mbar – 200 mbar = 800 mbar = 80 000 Pa [N/m²]

Opěrná plocha = upínací plocha 1000 x 500 mm = 500 000 mm² = 0,5 m²

Přidržovací síla F = p x A F = 80 000 N/m² x 0,5 m² =
40 000 N = 4 000 kg

To znamená, že pevnou dřevěnou desku o ploše 0,5 m² drží podtlak přidržovací silou 40 000 N, což teoreticky odpovídá přitlačení desky na obráběcí stůl silou 4 tun. Pokud by byla za stejných podmínek uchycena pevná dřevěná deska 150 x 150 mm, činí přidržovací síla F = 80 000 N/m² x 0,0225 m² = 1,800 N = 180 kg.
Nyní je otázkou, jak silná musí být vertikální přidržovací síla vakua, aby byl obrobek bezpečně uchycen. Příklady výpočtů ukazují, že přidržovací sílu pro deskové materiály s velkým povrchem lze hodnotit méně kriticky než u menších dřevěných dílů nebo materiálů, které jsou prodyšné nebo mají nerovné povrchy, které vedou k netěsnostem. V praxi je obtížné určit potřebnou přídržnou sílu, protože je třeba vzít v úvahu různé faktory, jako jsou provozní faktory nebo faktory upnutí, rychlosti a směry řezání a posuvu, materiály a odpor tření, takže se obvykle používají orientační pravidla.

Různé možnosti upínání vakuem

V zásadě se rozlišují tři možné postupy vakuového upínání:

Parametry vakuové technologie

Při výběru nejvhodnější vakuové technologie je třeba zvážit tři základní parametry.

Koncový tlak

Koncový tlak označuje nejvyšší dosažitelnou hladinu vakua ve vývěvě nebo nejnižší podtlak.

Rychlost čerpání

Pod tímto pojmem se rozumí objem vzduchu, který může vývěva odsát za určitou dobu. Rychlost čerpání je ovlivněna geometrií (objemem) vývěvy a její rychlostí. Čím vyšší je rychlost čerpání, tím rychleji je vzduch odsáván a je dosaženo koncového tlaku. Vysoké rychlosti čerpání pomáhají kompenzovat netěsnost, například při použití nestingové metody.

Spotřeba energie

Mechanické vývěvy jsou obvykle poháněny elektromotorem. V závislosti na konstrukčním principu a faktoru účinnosti spotřebovávají vývěvy různé množství energie. Pro dosažení co nejvyšší energetické účinnosti je důležité zvolit vývěvu, která poskytuje potřebný výkon s ohledem na koncový tlak a rychlost čerpání a zároveň má nejnižší energetickou náročnost.

Všechny tři parametry jsou na sobě závislé. Zaprvé, rychlost čerpání se snižuje s tím, jak se vývěva blíží dosažení koncového tlaku (obr. 4). Za druhé, energetická náročnost vývěvy je v určitém provozním bodě nejnižší. Správný návrh generování vakua je pro laiky obtížný, a proto vždy doporučujeme konzultaci s odborníkem na vakuum.

Ve druhém díle naší série „Vakuum při zpracování dřeva“ se na různé typy výroby vakua podíváme blíže.