Vakuum i trebearbeiding – del 1

Vakuumteknologi er utbredt i trebearbeidingsindustrien. Mulighetene for å bruke vakuum er svært allsidige. Men vakuum er ofte et ukjent tema for mange innen treforedling og trebearbeiding, for ikke å si et merkelig ubehagelig tema. Vi ønsker å dele nyttig informasjon i denne og de neste tre utgavene for å forklare ulike typer vakuumgenerering, deres fordeler og ulemper, og ikke minst sette fokus på økonomisk effektivitet. I dag skal vi begynne med noen grunnleggende tanker om vakuumtemaet.

Vakuum – hva er det egentlig?

Innen trebearbeiding brukes vakuum hovedsakelig til:


Innen treforedling brukes vakuum til:

Holding og løfting av trestykker

Vakuum brukes oftest til vakuumklemming på CNC-maskiner og annet bearbeidingsutstyr. Her brukes vakuumets holdekraft til å raskt og sikkert feste ulike panelmaterialer eller deler av heltre under trebearbeiding, uten å lage trykkmerker. Håndteringsutstyr og monteringsroboter får også ofte sin holdekraft fra vakuum.
I rent fysiske termer er vakuum – også kjent som undertrykk – et trykkområde der trykket er lavere enn atmosfærisk trykk. Det atmosfæriske trykket ved havnivå er 1013 millibar (mbar), men faller konstant i forhold til høyden (fig. 1). Værforholdene påvirker også det atmosfæriske trykket. I forbindelse med vakuumteknologi forenkler vi beregningene ved å avrunde atmosfærisk trykk eller omgivelsestrykk til 1000 mbar. Trykk under 1000 mbar betegnes som vakuum eller undertrykk.

Den vanligste enheten for trykk for vakuum er millibar (mbar), men ifølge gjeldende normer skal dette trykkområdet angis i Pascal (Pa). I vakuumteknologi antar vi absoluttrykk som teoretisk sett starter ved 0 mbar og slutter ved 1000 mbar (= atmosfærisk trykk). Spesielt innen trebearbeiding brukes fortsatt ofte bar, minus-bar (−bar) eller spesifikasjonen for trykk i prosent (%) (fig. 2).

Krefter ved klemming med vakuum

Holder det klemte arbeidsstykket? Er vakuumet tilstrekkelig eller er vakuumpumpens ytelse sterk nok? Dette er spørsmål som alle har stilt – senest når det roterende verktøyet nærmer seg det klemte arbeidsstykket. Fra et rent teoretisk perspektiv reduseres trykket mellom arbeidsstykket og bearbeidingsbordet, støtteflaten eller sugekoppen under klemming ved å trekke ut luft og generere et vakuum. Det atmosfæriske trykket er nå høyere og presser arbeidsstykket på bearbeidingsbordet slik at det klemmes fast. Fysisk trykk defineres som en kraft som påvirker et spesifikt område. Trykk er dermed en funksjon av kraft og areal (fig. 3).

I praksis betyr dette at jo større arbeidsstykke som støttes, desto større holdekraft. Dette kan best forklares med et eksempel:
Et trepanel plasseres på CNC-maskinens gitterbord for bearbeiding, og en forsegling dannes med en gummitetning som passer til panelets dimensjoner (fig. 4). En vakuumpumpe trekker ut luften mellom trepanelet og gitterbordet innenfor det forseglede området.

Beregning: Atmosfærisk trykk: 1000 mbar Undertrykk i vakuumpumpe (arbeidstrykk): 200 mbar Dimensjoner på trepanel: 1000 × 500 mm

Trykkforskjell: 1000 mbar − 200 mbar = 800 mbar = 80 000 Pa [N/m²]

Støtteflate = klemmeflate 1000 × 500 mm = 500 000 mm² = 0,5 m²

Holdekraft F = p × A F = 80 000 N/m² × 0,5 m² =
40 000 N = 4000 kg

Dette betyr at trepanelet med en overflate på 0,5 m² holdes av et vakuum med en holdekraft på 40 000 N, som teoretisk tilsvarer at panelet presser på bearbeidingsbordet med en vekt på 4 tonn. Hvis det under samme forhold ble klemt fast et trepanel på 150 × 150 mm, ville holdekraften være F = 80 000 N/m² × 0,0225 m² = 1800 N = 180 kg.
Nå er spørsmålet hvor kraftig den vertikale holdekraften til vakuumet må være for å klemme et arbeidsstykke godt fast. Eksempelberegningene viser at holdekraften for panelmaterialer med store flater kan evalueres mindre kritisk enn mindre trestykker eller materialer som er luftgjennomtrengelige eller har ujevne overflater som fører til lekkasjer. I praksis er det vanskelig å fastslå nødvendig holdekraft fordi ulike faktorer som drifts- eller klemmefaktorer, skjære- og matehastigheter og -retninger, materialer og friksjonsmotstand må tas i betraktning, så tommelfingerregler brukes vanligvis.

Ulike muligheter for vakuumklemming

Det skilles mellom tre mulige prosedyrer for vakuumklemming:

Parametere for vakuumteknologi

I prinsippet er det tre parametere som må vurderes ved valg av den mest egnede vakuumteknologien.

Sluttrykk

Sluttrykket angir vakuumpumpens høyest mulige oppnåelige vakuumnivå, eller laveste undertrykk.

Pumpekapasitet

Dette forstås som luftvolumet som en vakuumpumpe kan trekke ut i løpet av en viss tidsperiode. Pumpekapasiteten påvirkes av vakuumpumpens geometri (volum) og hastighet. Jo høyere pumpekapasitet, desto raskere trekkes luften ut, og sluttrykket oppnås. Høye pumpehastigheter bidrar til å kompensere for lekkasje, for eksempel ved bruk av stablemetoden.

Strømforbruk

Mekaniske vakuumpumper drives vanligvis av en elektrisk motor. Avhengig av konstruksjonsprinsippet og effektivitetsfaktoren, bruker vakuumpumper ulike mengder energi. For å oppnå størst mulig energieffektivitet er det viktig å velge en vakuumpumpe som gir nødvendig ytelse med hensyn til sluttrykk og pumpekapasitet, og som samtidig har lavest mulig energibehov.

Alle tre parametere er avhengige av hverandre. For det første reduseres pumpekapasiteten etter hvert som vakuumpumpen nærmer seg sluttrykket (fig. 4). For det andre er energibehovet til en vakuumpumpe lavest på et bestemt driftspunkt. Det er vanskelig for personer uten spesialkunnskap å designe optimal vakuumgenerering, derfor anbefaler vi alltid å konsultere en vakuumspesialist.

I den andre delen av serien «Vakuum i trebearbeiding» vil vi se nærmere på de ulike typene vakuumgenerering.