Merancang Turbin Tesla Cetak 3D – Bagian 1: Merekreasi Perabot dengan Markforged
Pendahuluan
Selamat datang di bagian pertama dari seri dua bagian kami tentang retrofit turbin Tesla dengan komponen Markforged. Kami akan memandu Anda melalui setiap langkah—dari konsep hingga desain hingga cetak akhir—menggunakan teknik yang terbukti dari postingan sebelumnya. Pada akhir seri ini, Anda akan melihat turbin Tesla yang sepenuhnya fungsional, diputar oleh perabot cetak Markforged yang lebih ringan, lebih kuat, dan siap untuk kecepatan ekstrim.
Apa Itu Turbin Tesla?
Turbin Tesla, yang dipatenkan oleh Nikola Tesla pada awal 1900-an, adalah alat aliran sentripetal tanpa bilah. Cairan masuk secara spesorik ke serangkaian cakram datar yang sejajar, dan interaksi viskos antara cairan dan permukaan cakram mendorong rotasi. Berbeda dengan turbin bilah konvensional, desain Tesla bergantung pada adhesi lapisan batas, yang memungkinkan geometri yang jauh lebih sederhana dan potensi efisiensi yang lebih tinggi.
Tesla klaim efisiensi hingga 90%, tetapi tes dunia nyata menemukan sekitar 40%—masih jauh di atas rentang 25-30% yang umum pada turbin bilah. Keterbatasan utamanya adalah kecepatan rotasi ekstrim (9.000–36.000 rpm) yang diperlukan, yang menyebabkan bilah meremukkan dan kegagalan mekanis. Saat ini, turbin Tesla sebagian besar adalah mainan edukasi, tetapi kesederhanaannya yang elegan terus menginspirasi insinyur.
Menggagas Turbin dengan Cetak 3D
Kami memulai dengan desain Olin College yang terbukti yang membagi mesin menjadi tiga rangkaian utama: sistem poros/rotor, perabot pemagam, dan perabot turbin. Perabot pemagam dan turbin berpasangan dengan fitur lokasi logam yang ketat dan delapan baut pemasang, sementara poros sepenuhnya dibatasi oleh perabot pemagam.
Sebagian besar komponen mudah diproses: perabot aluminium pemotong CNC, poros baja yang diputar, dan pemotong air-jet spasi. Karena geometri turbin sederhana dan toleransi yang diperlukan modest (<0.001"), kami melihat kesempatan untuk mengganti perabot aluminium yang berat dengan bagian cetak 3D yang ringan dan kuat tanpa mengorbankan performa.
Persyaratan Perabot Turbin
Integritas Jaringan: Perabot harus pas sempurna dengan perabot pemagam. Kelonggaran +0.001"/−0.001" pada fitur lokasi menghilangkan getaran yang dapat menghancurkan turbin pada kecepatan tinggi.
Pemasang: Enam belas lubang baut—delapan di belakang untuk perabot pemagam, delapan di depan untuk penutup policarbonat—harus ditempatkan dengan tepat untuk menjaga integritas struktural.
Kelonggaran Bilah: Kelonggaran pas yang sangat erat antara rongga perabot dan bilah memastikan transfer energi maksimum dan meminimalkan kehilangan efisiensi.
Desain dan Routing Serat
Kami memulai dengan melakukan pengujian unit pada model CAD untuk memverifikasi toleransi. Pengujian menunjukkan bahwa pengurangan borong CAD sekitar 0.002" menghasilkan kelonggaran +0.001" yang diperlukan saat dicetak. Kami juga mengganti semua lubang baut dengan rongga insersi panas untuk menjamin pengikat yang andal dalam matriks polimer.
Untuk memperkuat struktur, cakram serat karbon konsentrik dirute di seluruh bagian dalam Eiger. Dinding belakang, yang menanggung beban mayoritas, menerima lengkap cakram, sementara setiap lapisan dinding luar menyertakan satu cakram. Strategi ini meningkatkan kekuatan lingkaran dengan bahan minimal, menjaga bagian tetap ringan.
Verifikasi Dimensi
Meskipun badan turbin dapat muat pada Mark Two, kami memilih Mark X untuk kemampuan verifikasi dimensi berbasis laser. Dua pemindaian laser dikonfigurasi: satu untuk memeriksa permukaan pemasangan perabot pemagam dan satu lagi untuk memverifikasi diameter rongga. Selama cetak, setiap pemindaian diperiksa di Eiger, mengonfirmasi kesalahan dimensi hanya 0.0004"—sampat dalam toleransi.
Langkah Selanjutnya
Setelah cetak selesai, kami memasang insersi panas dan membaut perabot pemagam aluminium. Rangkaian lengkap hanya berat 170 g dibandingkan dengan 570 g sekutu aluminium—pengurangan massa sebesar 70%. Dengan perabot divalidasi, kami melanjutkan untuk merancang dan mencetak perabot pemagam, yang akan dibahas dalam Bagian 2.
Baca Bagian 2 dari seri ini untuk desain perabot pemagam, dan ikuti kami di Facebook, Twitter, Instagram, dan LinkedIn untuk pembaruan lainnya.
