„A létező legbonyolultabb jelenség, amivel gyártástechnológusok szembesülnek.”

Stépán Gábor Széchenyi-díjas akadémikus, a BME Gépészmérnöki Karának professzora az első műszaki területen tevékenykedő magyar kutató, aki megkapta a legrangosabb európai uniós kutatási támogatást.

Az Európai Kutatási Tanács (ERC) pályájuk csúcsán lévő, tapasztalt alkotó tudósok ambiciózus, alkalmasint nagy kockázatú kutatási projekt tervei közül választja ki évente a néhány támogatandót. Műszaki területen először kapott ilyen elismerést magyar tudós. Stépán Gábor, a Műszaki Mechanikai Tanszék vezetője fiatal, 40 év alatti posztdoktorokra és PhD hallgatókra számít az anyagmegmunkálás hatékonyságát növelő SIREN elnevezésű projektben. A projektnek köszönhetően a 8-10 fős csapat tagjai itthon folytathatják pályájukat, miközben többségük már rendelkezik jelentős nemzetközi kutatói tapasztalattal és folyamatosan kapnak ajánlatokat jobbnál jobb kutatóhelyekre. Az ERC pályázaton nyertes magyar professzor bízik benne, hogy az elengedhetetlen nemzetközi tapasztalat megszerzése mellett, közben, a fiatal tehetségek közül egyre többen már itthon fognak boldogulni.

A szerszámgépek rezgéseivel kapcsolatos kutatás középpontjában a forgácsolással történő anyagmegmunkálás hatékonyságának növelése áll. Mint minden nagysebességű jármű, gép esetében, úgy a szerszámgépeken is keletkeznek veszélyes rezgések a munkadarabokat vagy a szerszámokat tartó orsók fordulatszámának minden határon túli fokozásakor. Ezek a rezgések elsősorban nem is azért károsak, mert csökkentik a gépek élettartamát, hanem mert tönkreteszik a megmunkált munkadarabok felületének minőségét: ezek a kicsiny (egyébként fülsiketítő) rezgések olyan mintázatokat rajzolnak a munkadarabra, mint a napraforgó tányérján a spirálisok mentén rendeződő magok. A tudomány és a technológiai ismereteink mai szintjén nem lehet a fordulatszámot a szerszámgépek maximális teljesítményéig növelni, így a hatékonyságukat nem tudjuk maximálisan kihasználni a termelésben. Stépán Gábor csapatával arra törekszik majd, hogy az eddigieknél sokszorosan hatékonyabb rezgésmentes szerszámgépeket és azokhoz megfelelő megmunkálási technológiákat fejlesszen ki.

A professzor ezt gyakorlati példával világítja meg: „Ha valaki manapság csinál egy gyorsabb vonatot, mint az eddigiek, abban nem az jelenti a tudományos-műszaki kihívást, hogy erősebb motort kell építeni, hanem hogy a vonat ott maradjon a sínen. Ha növekszik a vonat sebessége,  előbb-utóbb rezgések keletkeznek és a jármű végül kisiklik.  Úgy kell megtervezni a sínt, a kerekeket és a hajtásrendszert, hogy a vonat stabil maradjon, ez az igazi csúcsteljesítmény” – folytatja. „Mi ugyanezt kutatjuk a szerszámgépek működésekor, hogy elkerüljük azokat a rezgéseket, amelyek a nagy sebességű anyagmegmunkáláskor keletkeznek” – magyarázza a bme.hu kérdésére Stépán Gábor.

„Ehhez rendkívül jól kell ismerni a gépet, nagyon pontosan kell elemezni minden apró részletét” – mondja az ERC támogatásban részesült kutatóprofesszor, aki felépített egy komplex tervet arra, hogyan fogja tökéletesen kiismerni a kísérleti gépeket dinamikai (rezgéstani) szempontból.  „Különösen izgalmasak a szerszámgépek kritikus pontjai, mint például az a kicsinyke rész, ahol a forgács leválik” – fűzi hozzá Stépán professzor. A kutatómunka célja automatizálni az ebben a kis térrészben, nagyon magas hőmérsékleten és hatalmas sebességgel lejátszódó rezgések elkerülésének módját. „Olyan módszereket fogunk kidolgozni, amelyek segítségével mindenütt nagy precizitással megjósolható és ennek alapján tervezhető a forgácsolási folyamat dinamikája” – fogalmazza meg a BME GPK Műszaki Mechanikai Tanszék vezetője.

A végcél természetesen az ipari alkalmazás. A kutatási téma jelentőségét mutatja, hogy a multinacionális cégek kiélezett versenyt folytatnak gyártósoraik hatékonyságának növelésével, ezekben pedig a végsőkig tolnák ki a nagy, számítógépekkel vezérelt forgácsoló gépek teljesítményének határait, hogy egységnyi idő alatt minél több és egyúttal kiváló minőségű termék készülhessen el.

Stépán Gábor elmeséli, hogy sikeres pályázatában kulcsszerepe volt 1989-ben Londonban megjelent könyvének, amely a Retarded Dynamical Systems, azaz a Késleltetett dinamikai rendszerek címet viseli. Hivatkozási indexe 1995-től kezdve nagyon szép ívű pályát járt be – mondja a kutató. Ennek a könyvnek az utolsó fejezete foglalkozik a szerszámgéprezgésekkel, amelyek megközelítéséhez, leírásához hosszú út vezetett, a legalapvetőbb matematikai kérdésektől a legbonyolultabb mechanikai modelleken át, kezdetben még kísérletek nélkül. Sok-sok meghívott nemzetközi előadásának és a világ minden tájára szétszóródott tanítványainak is köszönhető, hogy ez a megközelítés, a késleltetett dinamikai modellezés „felkapott” lett – egyébként nemcsak a szerszámgéprezgések területén. Stépán Gábor professzor úgy véli, ez a több évtizeden átnyúló nemzetközi hivatkozottság is bizonyította az ERC bírálóinak és bizottságainak, hogy „van egy ma sikeres kutatási vonulat, amit annakidején én indítottam el” – ez pedig alapkövetelmény az ERC nyertesekkel szemben.

„Egyelőre messze vagyunk az ipari alkalmazástól, de az ipar már érti az alapproblémát, az ún. regeneratív rezgési jelenséget, és tisztában van elkerülésének jelentőségével” – emlékeztet Stépán Gábor. A szerszám és szerszámgép gyártók, jórészt intuitív szabadalmakra építő legújabb termékeikkel mindent megtesznek a rezgések mögött húzódó regeneratív hatás „szétverésére”. Ez bizonyos esetekben sikerrel jár, de valójában tovább rontják a helyzetet, mert még kiszámíthatatlanabbá teszik a rezgések megjelenését.

„Úgy gondolom, nekünk sikerül ezeket a rezgéseket pontosan kiszámolni, elkerülésüket megtervezni, és ebben a fiatal kollégák is hisznek; nagy izgalommal várják, hogy elképzeléseinket a legkorszerűbb kísérleti és számítástechnikai felszereléssel tudjuk ellenőrizni, megvalósítani” – mondja a kutatócsoport vezetője. „A jövő az lesz, amikor a szerszámgépeket vezérlő számítógépek elkezdik a gépek dinamikáját is ellenőrizni, azonosítani, akár az ipari termelés közben, a gépbe épített gerjesztő egységek és rezgésmérők felhasználásával.  A dinamika kellően pontos ismeretében, aminek része a bonyolult forgácsképződés is, már kész terveink vannak ” – bizakodik a Műszaki Mechanikai Tanszék professzora. „Megcsináltuk az eddigi leggyorsabb algoritmust a forgácsolás stabilitásának előrejelzésére, és már van olyan programunk is, amellyel kiolvasható a bejövő rezgésadatok alapján, hogy a szerszámgépnek hogyan kell változtatnia a megmunkálás paraméterein” – jelzi a távlatokat Stépán Gábor. Öt év múlva az akkori számítástechnikával ez már valós idejű, teljesen automatizált folyamat lesz.   

Stépán Gábor személy szerint is izgatottan tekint a következő öt év elé. A magyar és a műegyetemi kutatói közösség szempontjából legfontosabbnak azt tartja, hogy a fiatalokat eljuttassa „arra a szintre, ahol világhírű műszaki elődeink voltak. Megvan ez a tudás hazánkban, csak itt kell tudni tartani, meg kell tudni szervezni” – fogalmaz az ERC Advanced Grant legújabb magyar nyertese.

T.J.

Fotó: Philip János