Goto English

Inleiding
Mijn schoonzoon Maarten Pennings is een veelzijdige technocraat op het gebied van electronica, wiskunde, software, computers en informatie technieken. Behalve op zijn dagelijks werk gebruikt hij deze kennis ook hobbymatig. Onlangs voegde hij het 3D printen met kunststof toe aan zijn hobby arsenaal en heeft daarmee al een paar fraaie projectjes gerealiseerd. Een daarvan was het printen van mijn "Benzinedamp Carburateur" aan de hand van mijn tekeningpakket dat hij als basis gebruikte voor de software voor zijn 3D printer. Het is Maarten gelukt om er een prachtig model van te printen. Omdat de gebruikte PLA kunststof bestand blijkt tegen de benzine kan deze kunststof carburateur gewoon worden gebruikt om er een verbrandingsmotortje mee te laten lopen, zie onder aan de betreffende pagina van deze carburateur met daarop ook het YouTube filmpje waarop te zien is hoe goed een van mijn verbrandigsmotortjes ermee loopt.
Na dit succes vroeg Maarten mij of ik nog iets voor hem had om te printen. Dat was niet aan dovemansoren gezegd want ik heb wel eens gedacht dat het een uitdaging zou zijn om een van mijn modelbouwmotortjes vrijwel geheel van kunststof te maken met een 3D printer. Het zou dan een uniek motortje zijn, zeker als het nog zou lopen ook, wellicht zelfs een wereld primeur voor zover ik kan nagaan.
Het 3D printen heeft zo zijn voordelen maar ook beperkingen zoals het feit dat de temperatuur van de kunststof relatief laag moet blijven als het motortje loopt. Om die reden vielen mijn vlamhappers en ook de verbrandingsmotortjes meteen af, althans voorlopig. Maar een lage temperatuur Stirling maakt wel een kans van slagen in mijn ogen. Als basis dacht ik daarbij aan mijn "Lage temperatuur Stirling" met CD vliegwiel
waarvan ik weet dat het zelfs op mijn hand kan lopen, zeker als de koude zone ervan gekoeld wordt met wat ijs in een bakje daarop, klik hier voor de betreffende pagina van dit Stirling model.

Het ontwerp
Onderstaande afbeeldingen 1 t/m 6 illustreren het CAD ontwerp zoals ik die heb getekend.

 

 

In voortdurende samenspraak met Maarten (die ruim 80 kilometer van mij vandaan woont) hebben we het ontwerp zodanig gemaakt dat vrijwel alle onderdelen van PLA kunststof kunnen worden geprint en ook zo dat de onderdelen "integraal" zijn waarmee ik bedoel dat ze zo veel als mogelijk uit één stuk gemaakt zijn. Dit laatste maakt dat er veel minder afzonderlijke onderdelen zijn dan wanneer het model van metaal gemaakt zou worden. Behalve 3 koperen plaatjes en 12 stalen kogeltjes in het vliegwiel zijn alle onderdelen van kunststof, in totaal slechts 12 stuks. De meest spectaculaire onderdelen met betrekking tot functie integratie zijn m.i. de bovenbouw (afbeeldingen 3 en 4) en de krukas (afbeelding 6).

De speciale voorzieningen.
Het principe van een Stirling motor is erop gebaseerd dat een afgesloten hoeveelheid lucht in het systeem cyclisch wordt opgewarmd en weer afgekoeld. Daardoor ontstaan er drukschommelingen die de werkzuiger op en neer doen gaan hetgeen het vermogen van de motor oplevert. De warmte wordt van buiten af aangevoerd naar de ruimte onder de verdringer die met enige ruimte in zijn cilnder op en neer beweegt. De bedoeling is om deze motor op een koffiekop te zetten die gevuld is met heet water waardoor de plastic onderdelen volgens mijn ervaring niet veel warmer zullen worden dan zo'n 50 Celsius en dat overleeft deze PLA plastic wel. De afkoeling van de lucht vindt plaats in de ruimte boven de verdringer als die de lucht langs de spleet tussen de verdringer en zijn cilinder naar boven heeft gestuwd.
Kunststof is een slechte warmtegeleider waardoor het opwarmen en ook het weer afkoelen van de lucht dusdanig wordt bemoeilijkt dat de motor zonder een speciale voorziening niet kan lopen. Dit probleem is bij dit ontwerp opgelost door een dunne koperen plaat in de bodem van de cilinder voor de verdringer te lijmen met transparante siliconenkit om de warmte goed door te geven en koperen plaatjes in twee meegeprinte koelbakjes op de bovenbouw om de afkoeling te vergroten, zie de afbeeldingen 3, 4 en 5. Wat ijsblokes in die koelbakjes zullen het koeleffect nog drastisch vergroten, iets wat ik met andere van mijn Stirling motortjes heb ervaren.

Het vermogen van zo'n lage temperatuur Stirling is relatief klein, reden waarom mechanische wrijvingen van het systeem tot een minimum moet worden beperkt. Daarom draait de krukas met zeer lage wrijving in puntlagertjes zoals die ook wel voorkomen in kleine uurwerken.
Twee andere plaatsen waar wrijving optreedt zijn bij de werkzuiger in zijn cilinder en bij de as van de verdringer in zijn glijbus in het centrum van de bovenbouw, zie de doorsnee op afbeelding 2. Tegenstrijdig is dat de passingen daar vrijwel luchtdicht moeten zijn en anderzijds een zo laag mogelijke wrijving veroorzaken. Om dat te verwezelijken hebben we de inwendige diameter van de werkcilinder en die van de glijbus een fractie ondermaats gemaakt om die vervolgens op te ruimen met al dan niet verstelbare machineruimer totdat het gewenste resultaat is bereikt. Bij metalen onderdelen is dat een beproefde methode maar of dat met kunstof dezelfde goede resultaten oplevert zal de praktijk moeten uitwijzen, maar vooralsnog heb ik daar best vertrouwen in.
Het soortelijk gewicht van kunststof is relatief laag, reden waarom we in de buitenomtrek van het vliegwiel 12 stalen kogeltjes met een diameter van 8 mm zullen persen, zie afbeelding 1.

Logboek.

Al het bovengenoemde is voorlopig alleen gestoeld op wat ervaringen en verwachtingen. De praktijk moet uitwijzen in hoeverre die in de praktijk zullen uitpakken. We zullen het maakproces stapsgewijs verslaan in dit logboek en daar telkens wat aan toevoegen als er weer wat gebeurd is dat waard is om te vermelden.

23 november 2018.
De bouwtekeningen zijn compleet en Maarten heeft van mijn tekeningen de 3D modellen gemaakt die die nodig zijn voor het aansturen van zijn 3D printer.

25 november 2018.
Maarten is voortvarend van start gegaan en heeft de complexe bovenbouw al geprint, zie onderstaande foto's van enkele stadia van dit printproces.


28 november 2018.

Maarten gaat als een speer! Hij heeft nu ook de cilinder voor de verdringer en de krukas onderdelen geprint, zie onderstaande foto's:


12 December 2018.
Er waren wat probleempjes met het 3D printen: soms niet goed los laten van de bodemplaat of juist loslaten tijdens het printen en wat wisselende kwaliteiten van de laagstruktuur aan de buitenkanten. Er zijn meerdere parameters die dit kunnen beinvloeden en dat is Maarten nog aan het uitvogelen maar het zal best goedkomen zo te zien. Een van de oorzaken lijkt de ophanging van de haspels met de kunststof draad. Een houten haak waardoor het afrollen vermoedelijk te veel weerstand ondervindt. Ik heb daarvoor nu een metalen ophangrol gemaakt met flenzen die op kogellagertjes loopt. Zie onderstaande foto:

Die loopt vrijwel zonder wrijving rond maar moet nog wel van Roosendaal naar Waalre verscheept worden.

16 December 2018.

Maarten heeft er flink de sokken ingezet. Hij heeft nu alle onderdelen geprint en de Stirling los in elkaar gezet, zie onderstaande foto's:

Vliegwiel halverwege

----------------

-Vliegwiel klaar

 

Alle geprinte onderdelen

 

-

Alles (los) in elkaar

 

Het ziet er super mooi uit. Alles moet nu van Maarten (in Waalre) naar mij (in Roosendaal) komen om het definitief in elkaar te zetten en dit zeer bijzonder motortje aan de praat te krijgen. Ik ben razend benieuwd, aan Maarten zal het niet liggen.