Silnik Stirlinga – prototyp i model do druku 3D

Silnik Stirlinga to ponadczasowy wynalazek Roberta Stirlinga, któremu w 1816 roku udało się uzyskać patent na silnik spalania zewnętrznego.

W tym artykule przedstawimy Ci cały proces powstania prototypu tego urządzenia – począwszy od szkiców, przez projektowanie, drukowanie 3D aż do złożenia wszystkich części. Być może ta wiedza pomoże Ci w stworzeniu Twojego własnego projektu wynalazczego. Jest to już kolejny raz, gdy nasze biuro podejmuje się stworzenia repliki wynalazku. O wykonaniu repliki helikoptera Leonarda da Vinci możesz przeczytać tutaj. 

Druk 3D doskonale sprawdza się jako metoda tworzenia prototypów i prostych urządzeń i dlatego jako biuro projektowe wynalazca.tv postanowiliśmy użyć właśnie tej techniki prototypowania do stworzenia poszczególnych części naszej własnej repliki silnika Strilinga. 

Jeśli sam opracowałeś jakiś innowacyjny silnik (lub inny wynalazek) i zastanawiasz się nad tym, jak wygląda proces ochrony wynalazków to koniecznie zobacz nasz DARMOWY kurs: Poradnik ABC Wynalazcy.

Robert Stirling – duchowny, inżynier i wynalazca

Robert Stirling urodził się 25 października 1790 roku. Był szkockim duchownym oraz wynalazcą. W latach 1805 – 1808 uczył się na uniwersytecie w Edynburgu. Dzięki ojcu od wczesnych lat dzieciństwa interesował się mechaniką. 

W 1816 roku uzyskał patent na silnik na gorące powietrze. Nazwa jednak się nie przyjęła, ponieważ zamiast powietrza w silniku można było zastosować również inne gazy. W końcu przyjęło się, że wszystkie maszyny pracujące z zamkniętą przestrzenią roboczą i regeneracją ciepła przy stałej objętości nazwane są silnikiem Stirlinga. 

W następnym latach Stirling zaprojektował i przetestował kilka typów tych silników. Jego głównym celem było stworzenie i rozpowszechnienie sprawnego i bezpiecznego silnika równie przydatnego jak maszyna parowa, która była wówczas uważana za zagrożenie dla otoczenia przez często wybuchające kotły parowe.

Historia wynalazku silnika Stirlinga

Robert Stirling wraz z pomocą swojego brata – Jamesona, cały czas udoskonalał konstrukcję swojego silnika, jednak bez większych sukcesów handlowych. Wszystko za sprawą silnej konkurencji maszyn parowych oraz wynalezionych nieco później – silników spalinowych. Niepowodzenie było również skutkiem względów technologicznych i materiałowych, gdyż znaczna część elementów była wykonana z żeliwa, które było mało wytrzymałe w porównaniu do potrzeb.

Stirling jednak cały czas miał nadzieję, że jego wynalazek stanie się użyteczny. Dwa lata przed śmiercią powiedział: „…gdyby stal Bessemera była znana trzydzieści lub czterdzieści lat wcześniej, nie ma cienia wątpliwości, że silnik na gorące powietrze byłby ogromnym sukcesem. Aktualnie przedstawia on potencjalną możliwość rozwoju w rękach ambitnych i wykształconych mechaników, którzy w sprzyjających okolicznościach mogą osiągnąć zamierzony cel w przyszłości.”

Było to zrozumiałe, ponieważ silniki Stirlinga mają również wiele zalet.

Zalety silnika Stirlinga

Silniki tego rodzaju emitują niewiele zanieczyszczeń, a do tego są bardzo wydajne. Współczesne prototypy osiągały moc nawet do 500 KM utrzymując przy tym współczynnik wydajności na poziomie 35-40 %. Dla porównania, klasyczne silniki spalinowe mogą się pochwalić wartością tego współczynnika jedynie na poziomie 25-30%. 

Dzięki temu, że Silnik ten nie działa na zasadzie wybuchu, a w sposób ciągły – napędzany nim pojazd mógłby jechać gładko i równomiernie. Jednak ze względu na potrzebną dużą ilość ciepła silniki te potrzebowały instalowania bardzo dużych chłodnic, co ostatecznie wykluczyło je ze stosowania w pojazdach, a na pewno samochodach osobowych.

Próby zastosowania Silnika Stirlinga

Silnik typu beta po raz pierwszy użyto do usuwania wody z kamieniołomu. W późniejszych latach nie znalazł większych zastosowań w przemyśle, ale w XX wieku często stosowano go w gospodarstwach domowych do wypompowywania wody.

W XX wieku za sprawą niepewności społeczeństwa do paliw kopalnych nastąpiło wzmożone zainteresowanie silnikiem Stirlinga. Firma Philips wypuściła na rynek niewielkie generatory o mocy 200 W pracujące na olej do lamp, ale zostały one później wyparte przez spalinowe agregaty prądotwórcze. W latach 70-tych zbudowano nawet samochód z napędem Stirlinga o mocy 60 kW. Natomiast w latach 80-tych Szwedzka firma Kockums zaproponowała zamontowanie silników Strilinga do okrętów podwodnych, gdzie mogą służyć jako źródło energii pracujące bez dostępu do powietrza.

W XXI wieku natomiast zainteresowanie wzbudziły silniki Stirlinga czerpiące ciepło z energii słonecznej. 

Zasada działania Silnika Stirlinga

Silnik Stirlinga jest dość nieszablonowym silnikiem tłokowym. Jego nietypowość polega na tym, że do wytworzenia energii nie potrzebny jest tu proces spalania paliwa. Do wytworzenia energii potrzebna jest różnica temperatur pomiędzy dwoma tłokami – ciepłym oraz zimnym. 

To proces przepływu ciepła sprawia, że tłoki poruszają się wprawiając tym samym w ruch wał korbowy, a on – koło zamachowe, które gromadzi całą energię. Jest to tzw. silnik spalania zewnętrznego.

Gaz roboczy umieszczony w podgrzewanej strefie na skutek ciepła doznaje wzrostu ciśnienia, tym samym powiększając swoją objętość. W ten sposób przepycha on tłok roboczy. W kolejnym etapie tłok nazywany wypornikiem przemieszcza gaz roboczy do strefy chłodzącej, gdzie gaz poprzez oziębienie doznaje spadku ciśnienia, a co za tym idzie – zmniejszenia swojej objętości, co powoduje cofnięcie się tłoku roboczego. Jest to proces odwracalny i powtarzalny. 

Najważniejszą cechą Silnika Stirlinga jest przesunięcie w fazie obydwu korbowodów o 90 stopni względem siebie. Kierunek obrotu powinien być taki, aby tłok gorący wyprzedzał tłok zimny.

Typ silnika, który będzie zaprojektowany to typ gamma, który posiada dwa osobne cylindry połączone za sobą.

Podział procesu pracy silnika Stirlinga (etapy pracy)

Cały proces pracy tego silnika Stirlinga można podzielić na cztery etapy (symbolem płomienia oznaczono źródło ciepła, a symbolami płatków śniegu chłodzoną powierzchnię):

1. Podgrzanie – na skutek ogrzania rozszerza się gaz roboczy we wnętrzu silnika (w naszym przypadku zwykłe powietrze). Popycha to tłok zimny.

2. Rozprężanie – na rozprężony gaz zaczyna działać niska temperatura. Tłok zimny nie pozwala na razie przemieszczać się gazom o różnej temperaturze, dlatego objętość gazu nie ulega znaczącej zmianie.

3. Ochładzanie – na skutek rozpędu koła zamachowego tłok zimny przemieścił się do ścianki cylindra separując grzejący wpływ ściany cylindra od gazu. Gazy o różnej temperaturze mogą zatem się wymieszać, gaz roboczy ochładza się. Wiąże się to ze spadkiem ciśnienia oraz zmniejszeniem objętości. Gorący tłok zostaje wessany z powrotem do środka.

4. Sprężanie – tłok zimny porusza się w dół, co prowadzi do ponownego zwiększenia temperatury i objętości gazu.

Projektowanie prototypu silnika Stirlinga – etapy prototypowania

Po najważniejszym, czyli zapoznaniem się z zasadą działania można przystąpić do rozplanowania zadań. Tutaj potrzebna jest drobna dawka inwencji twórczej (zobacz: Mam pomysł na wynalazek, co dalej?). Trzeba określić kolejność wykonywanych czynności, czyli wykonać szkice poglądowe, spisać listę potrzebnych części, określić jak będą one zamocowane i w jaki sposób będą ze sobą współgrać.

Po ustaleniu wszystkich założeń można przystąpić do projektowania. 

Jest to etap, w którym tworzymy w środowisku specjalnych programów CAD modele 3D wszystkich elementów następnie składając je w całość. Jeżeli nasz projekt ma wykonywać określone zadania jest możliwe też wykonanie symulacji kinematycznych, statycznych oraz dynamicznych, aby upewnić się, że konstrukcja wytrzyma przeciążenia.

Projekt naszego prototypu Silnika Stirlinga został w całości wykonany w programie Autodesk Fusion 360. Jeśli chcesz nauczyć się tego programu to koniecznie odwiedź nasz kanał i nasze poradniki: DARMOWE PORADNIKI PROJEKTOWANIA 3D

Modelowanie 3D części Silnika Stirlinga

Nasz prototyp będzie ruchomy, więc każdą część należy zamodelować oddzielnie. Odpowiednie części będą potem ze sobą łączone poprzez nadanie im odpowiednich wiązań oraz ograniczenie części stopni swobody. Ważne jest, aby obrać sobie jeden z elementów jako główny – będzie on zamodelowany jako pierwszy. Zazwyczaj jest to część największa, tak jak w naszym przypadku – podstawa górna, na której będą zamocowane stojaki. Posiada również cylinder przypominający komin, w którym będzie pracował tłok roboczy.

Na podstawie zamodelowanej podstawy górnej dobrano wymiary stojaków

Stojak posiada specjalne rowki, w których będą osadzone łożyska. Rozstaw stojaków oraz średnica łożysk pozwoliła na zamodelowanie wału korbowego. Składa się on z trzech części: dwóch korbowodów oraz specjalnego łącznik

Połączenie tych trzech części zapewni bardzo ważną wspomnianą wcześniej cechę, czyli przesunięcie w fazie korbowodów względem siebie o 90 stopni. Na jednym z korbowodów znajduje się miejsce na zamocowanie przejściówki, która pozwoli na zamocowanie koła zamachowego na większej powierzchni.

Korzystając z wysokości stojaków oraz średnic wału korbowego można przystąpić do zamodelowania popychaczy tłoka gorącego oraz tłoka roboczego. Popychacz tłoka gorącego posiada przegub, dlatego też składa się z 3 części – pierwszej odpowiedzialnej za ruch obrotowy oraz drugiej odpowiedzialnej za ruch obrotowy, w której zamocowany jest cienki bolec.

Aby zapewnić stabilność konstrukcji oraz docisnąć łożyska osadzone w stojakach zamodelowano stabilizator łączący obydwa stojaki.

Biorąc pod uwagę wymiary pokrywy górnej można zaprojektować cylinder oraz tłok gorący.

Złożenie 3d – zestawienie wszystkich części ze sobą

Po zamodelowaniu wszystkich części można je połączyć poprzez nadanie odpowiednich wiązań takich, jak obrót o określony kąt, połączenie lub odsunięcie o odpowiednią odległość ścian dwóch elementów. Wykonanie złożenia przedmiotu posłuży m. in. do tworzenia wizualizacji. 

Ważnym jest, aby jeden element unieruchomić w trójwymiarowej przestrzeni naszego programu. Najlepiej, jeżeli będzie to element obrany, jako główny. Złożony model prezentuje się następująco:

Renderowanie modelu 3D silnika Strlinga

Jeszcze przed wydrukiem 3D możemy sprawdzić, jak może prezentować się nasz prototyp w rzeczywistości. Wizualizacje produktowe możesz zamówić na tej stronie: Zamów wizualizacje dla swoich produktów lub wynalazków. 

W tym celu wykorzystamy proces renderingu. Umożliwia on między innymi przedstawienie projektu w formie fotorealistycznej. Przygotowując projekt do renderingu jego poszczególnym częściom nadawane są kolory oraz rodzaje materiałów. Ponadto, aby dodać wizualizacji więcej realistyki wybieramy światło oraz tło. W bardziej zaawansowanych opcjach znajdziemy takie opcje jak intensywność przejaśnień, cieni, kontrast czy natężenie światła. Doświadczony grafik, który jest obyty z danym programem będzie doskonale wiedział, które opcje powinien wybrać w danym przypadku, aby wizualizacja wyglądała jak najlepiej.

Proces renderingu jest to bardzo przydatny, ponieważ pozwala nam lepiej wyobrazić sobie dany model, czy też dobrać kolory zanim stworzymy jego fizyczny odpowiednik.

Ponadto na podstawie wyrenderowanej grafiki można też stworzyć animację, która pokaże działanie mechanizmu.

Przygotowywanie modeli do druku 3d – Format STL

Aby zaimportować jakąś część z środowiska programu CAD do przestrzeni roboczej drukarki 3D trzeba wykonać eksport modelu do formatu STL. Format STL jest triangulacyjnym (trójkątnym) przedstawieniem geometrii powierzchni w przestrzeni trójwymiarowej. 

Polega to na tym, że każda powierzchnia jest podzielona na szereg małych trójkątów, a każdy wierzchołek trójkąta opisany jest przez 3 punkty reprezentujące ich położenie względem osi współrzędnych.

Z tak przygotowanymi modelami można przejść już do procesu drukowania 3D.

Drukowanie 3D prototypu

Możliwości druku 3D sprawdzają się najlepiej w tworzeniu skomplikowanych modeli. Dzięki tej technologii można stworzyć namacalne elementy dokładnie takie, jakie zaprojektowaliśmy. Drukiem 3D nazywamy technikę szybkiego wytwarzania modeli trójwymiarowych w oparciu o dokumentację wirtualną lub mówiąc prościej – pozwala on przenieść wirtualne obiekty do trójwymiarowej rzeczywistości. 

Metoda ta polega na nakładaniu materiału budulcowego warstwa po warstwie i selektywnym jego spajaniu. 

Otwory w drukowanych elementach potrafią wytworzyć się mniejsze niż zadane wymiary w projekcie. Jest to związane z wieloma czynnikami. W związku z tym na etapie modelowania konieczne było zamodelowanie otworów z odpowiednią tolerancją. W naszej drukarce 3D błąd wynosi około 0,1 mm, dlatego wszystkie średnice powiększono o około 0,2 mm.

Ustawienie elementów w przestrzeni roboczej drukarki 3D

Jednym z większych problemów dla drukarek 3D są obiekty zawieszone w powietrzu. Aby wydruk był możliwy często wykorzystuje się tzw. podpory, które później się odrywa. Jak już wiemy drukarka 3D buduje elementy warstwowo. 

Poszczególne warstwy muszą być częściowo podparte, ponieważ niezastygnięty filament może pod wpływem grawitacji opaść, a to zepsuje cały druk. Nie trzeba jednak takich podpór projektować samemu.

Każdy program przygotowujący model do druku potrafi generować takie podpory – tzw. supporty automatycznie. Wykrywa miejsca, w których umiejscowienie supportów jest potrzebne. Oczywiście możemy je później edytować, dodać, usunąć lub nawet ustawić je samodzielnie. Duże doświadczenie w projektowaniu i prototypowaniu pozwala na umiejętne ustawianie elementów na stole operacyjnym drukarki w ten sposób, żeby suportów było jak najmniej.

Części zostały zaimportowane do drukarki 3D za pomocą programu Simplify 3D.

Niestety suporty często pozostawiają po sobie charakterystyczne ślady. Aby je zlikwidować trzeba poddać obiekt procesowi obróbki ręcznej.

Proces drukowania 3D

Wszystkie części prototypu Silnika Stirlinga zostały wydrukowane na drukarce 3D Gence One wykorzystując filament PLA marki Spectrum.

Podstawowe parametry druku dla tych części były następujące:

• Średnica głowicy: 0,4 mm
• Temperatura głowicy: 215o
• Temperatura stołu podgrzewanego: 65o
• Wypełnienie: 100 %

Postprocessing wydruków silnika Stirlinga

Zdarza się tak, że wydrukowane połączenia nie pasują do siebie, bo na przykład otwór jest zbyt mały. Jest to spowodowane niedokładnością drukarki, która w naszym przypadku wynosi około 0,1 mm lub też niedokładnie skalibrowanym stołem.

Czasem w trakcie wydruku może nawet zatkać się roztopiony filament w głowicy co też może wpłynąć na jakość wydruku. W tym celu wykonuje się obróbkę mechaniczną wydruków nazywaną postprocessingiem. Najczęstsze narzędzia jakie używa się w tym etapie to zwykle papier ścierny lub różnego rodzaju szlifierki. 

Postprocessing wykorzystuje się też, jeżeli chcemy wizualnie poprawić jakość wydruków, przykładowo wygładzić powierzchnię po usunięciu support’u.

Przy wydrukach naszego prototypu konieczne było wyszlifowanie papierem ściernym otworów, w których miały być osadzone łożyska, ponieważ były one zbyt małe, by wcisnąć w nie łożyska.

Więcej o metodach postprocessingu przeczytasz w tym artykule: Metody obróbki druku 3D, czyli postprocessing wydruków 3D

Montaż elementów

Z uwagi na szczelność, którą bardzo trudno uzyskać wykorzystując druk 3D, a która jest niezbędna do działania silnika Stirlinga niektóre elementy zastąpiono innymi. Przede wszystkim tłok zimny został zastąpiony przez membranę. Do pokrywy górnej zamocowano tuleję na wcisk, a do popychacza tłoka gorącego idealnie dopasowany do niego bolec. Zapewnia to płynny ruch, a przy tym szczelność. Cylinder natomiast zastąpiono metalową puszką o wymiarach średnicy 100 mm i wysokości 47 mm.

Pierwszym etapem montażu było zamocowanie stojaków do pokrywy górnej poprzez umieszczenie jej w odpowiednich miejscach i sklejenie. Do pokrywy górnej wciśnięto tuleję oraz przyklejono membranę na cylinder roboczy.

Do pokrywy górnej przyklejono górną część puszki, w której uprzednio wykonano dwa otwory. Jeden na środku dla bolca popychającego tłok gorący, a drugi dla tłoka zimnego, czyli membrany.

Obydwa elementy popychacza tłoka gorącego połączono za pomocą łożyska 5x8x2,5. W jednym z elementów wywiercono otwór i po rozgrzaniu go do temperatury około 50 stopni wcisnięto bolec o średnicy 2 mm. Łożyska osadzono w przeznaczonych do tego otworach.[

Przed złożeniem wszystkich części wału korbowego na jego skrajnych końcach umieszczono łożyska 10x19x5, dzięki którym możliwe było jego połączenie ze stojakami. Na korbowodach umieszczono również obydwa popychacze z łożyskami.

Cały wał korbowy z zamocowanymi na nim częściami zamontowano na stojakach. Bolec popychacza tłoka gorącego włożono do tulei a popychacz tłoka zimnego, czyli u nas membrany dociśnięto od spodu zaciskiem.

Wał korbowy dociśnięto za pomocą stabilizatora.

Do bolca w popychaczu tłoka gorącego przymocowano tłok gorący. Jest on wykonany ze styropianu i posiada wydrukowane mocowanie.

Na końcu założono koło zamachowe. Całą konstrukcje osadzono na dolnej części puszki.

Efekt końcowy prototypowania

Ostatecznie po wielu godzinach projektowania udało nam się opracować prototyp silnika Stirlinga. Jak widzisz wyżej – prace były wymagające, ale ostateczny efekt końcowy był bardzo zadowalający. Poniżej możesz zobaczyć ostateczny prototyp silnika Stirlinga:

Proces komercjalizacji nowego produktu

W przypadku, jeżeli chcielibyśmy zaoferować nasz produkt klientom do zakupu, czyli wdrożyć go na rynek powinniśmy zapoznać się z pojęciem komercjalizacji. 

Komercjalizacja to proces, w którym nasz produkt posiadający potencjalną wartość doprowadzimy do sprzedaży, wyprodukowania, udostępnienia lub użytkowania w celu osiągnięcia zysku. Jest to działanie oparte na zasadach rynkowych. 

Przed wprowadzeniem produktu na rynek musimy zadbać o wiele rzeczy. Oprócz samych technicznych aspektów trzeba też pamiętać o odpowiednim marketingu oraz przygotowaniu materiałów promocyjnych.

Materiały promocyjne dla komercjalizacji

Sprzedaż projektu silnika Stirlinga możemy zwiększyć poprzez przygotowanie różnego rodzaju sprzedażowych grafik lub wizualizacji i animacji 3d oraz opisów (np. na strony www). Taki zestaw pełni rolę promocyjną zachęcając klienta do kupna, ale też daje mu możliwość wcześniejszego obycia się z designem oraz funkcjami produktu. 

Oczywiście trzeba pamiętać, alby nasze materiały promocyjne zgadzały się z rzeczywistymi cechami produktu. 

Do wykonania wizualizacji oraz potrzebny jest wcześniej wykonany model 3D, a także program, który posiada funkcję tak zwanego renderingu. Przykładowe wizualizacje prototypu silnika Stirlinga możesz zobaczyć poniżej:

Podsumowanie – Silnik Stirlinga – prototyp i model do druku 3D

W tym artykule przedstawiono cały proces tworzenia prototypu, zaczynając od przedstawienia Twórcy silnika Stirlinga, poznanie zasady działania jego wynalazku, a następnie przeszyliśmy przez etapy produkcyjne tj.: modelowanie 3D – aż do wydrukowania projektu na drukarce 3D i jego komercjalizacji. 

Teraz już wiesz, że wykonanie repliki wynalazku to cały inżynieryjny proces wymagający wielu umiejętności, czasu oraz cierpliwości. 

Jeśli po przeczytaniu tego wpisu chciałbyś zlecić nam tworzenie własnego prototypu, czy materiałów takich, jak wizualizacje 3d – koniecznie do nas napisz na: kontakt@wynalazca.tv 

W przypadku, gdy sam jesteś wynalazcą i być może pracujesz nad własnym przełomowym silnikiem lub innym projektem koniecznie dowiedz się JAK CHRONIĆ SWÓJ POMYSŁ zapisując się do naszego DARMOWEGO kursu: Poradnik ABC Wynalazcy.

• O mnie
• Ostatnie posty

Wynalazca TV

Wynalazca TV to marka, która wspiera wynalazców, przedsiębiorców i startupy w ochronie ich pomysłów oraz wprowadzaniu ich na rynek. Łączymy prawo własności przemysłowej z praktyczną wiedzą biznesową, aby przeprowadzać naszych klientów przez każdy etap – od idei, przez prototyp, aż po wdrożenie gotowego produktu.

Naszym celem jest ułatwienie procesu komercjalizacji innowacyjnych rozwiązań, dlatego oferujemy kompleksowe wsparcie, w tym konsultacje, badania patentowe, tworzenie prototypów oraz pomoc w ochronie wzorów przemysłowych i patentów.

Dzielimy się wiedzą poprzez wykłady, prelekcje, ebooki, kursy online i treści w social media. W przystępny sposób edukujemy o ochronie własności intelektualnej i pokazujemy, jak skutecznie realizować innowacyjne projekty. Wynalazca TV to miejsce, gdzie innowacja spotyka się z wiedzą i wsparciem na każdym kroku.

Ostatnie posty Wynalazca TV (wszystkie)

• Poradnik dla wynalazców: Jak sprawdzić swój pomysł na produkt – analiza prawna - 8 października 2024
• Jak sprawdzić swój pomysł na produkt? – analiza finansowa – Poradnik dla wynalazców - 10 września 2024
• Nowe procesory w 2023 roku – czym zaskoczy nas AMD i Intel? - 19 marca 2023