Das Folgende ist ein Auszug aus unserem Whitepaper: How Additive Manufacturing is Transforming Tooling. Laden Sie die Vollversion unten herunter.
Wenn Sie in der fortschrittlichen Werkzeugherstellung oder in deren Umfeld arbeiten, sind Sie wahrscheinlich schon auf das Konzept der konturnahen Kühlung gestoßen. Für diejenigen, die es zum ersten Mal erforschen, ist die konturnahe Kühlung eine Technik, die verwendet wird, um den Temperaturabfall in Werkzeugeinsätzen zu beschleunigen und zu kontrollieren.
Beim Aluminium-Druckguss beispielsweise kommt die Metallschmelze mit einer Temperatur von etwa 600 °C an der Form an und spritzt in etwa 20 ms in den Formhohlraum ein. Anschließend erstarrt das Teil mit Hilfe von Kühlkanälen, die innerhalb von 60 Sekunden auf etwa 60 °C abkühlt.
Wenn es fest ist, trennt sich die Matrize und Stifte werfen das Teil aus der Matrize aus. In der Druckgussfertigung macht die Kühlung des Druckgusseinsatzes etwa 70 % der Zykluszeit zur Herstellung eines Teils aus. Durch die Beschleunigung der Kühlrate können Werkzeugkonstrukteure die Produktionszeiten verkürzen. Sie können auch die Lebensdauer der Kühleinsätze erhöhen und sogar die Materialeigenschaften des Endverbraucherteils verbessern.
Konforme Kühlung gibt es schon seit einiger Zeit. Tatsächlich ähnelt es im Prinzip einer Lösung, die beim Design von Raumfahrzeugen verwendet wird – der regenerativen Kühlung. Bei der regenerativen Kühlung sind Sie es flow kalten Treibstoff durch die Raketendüse, damit die Düse nicht schmilzt.
Kupferschubkammer mit regenerativen Kühlkanälen
Das Ergebnis ist eine Düse, die außen eiskalt ist, aber innen eine vollständige Raketenabgasverbrennung erfährt. Ingenieure haben Lösungen wie diese verwendet, damit ihre Teile auch dann überleben, wenn sie Umgebungen ausgesetzt sind, die den Schmelzpunkt des Metalls überschreiten. In gewisser Weise könnten also die gleichen Konstruktionslösungen, die verwendet werden, um Raumfahrzeuge in die Umlaufbahn, den Mond und darüber hinaus zu bringen, zur Herstellung der Teile verwendet werden, die Ihr nächstes Auto in den Supermarkt bringen!
Wie man Kühlkanäle herstellt
Ingenieure haben eine begrenzte Designfreiheit, wenn sie herkömmliche Herstellungsmethoden verwenden, um Kühlkanäle zu erstellen. Die meisten Ansätze beinhalten das Bohren von geraden, sich kreuzenden Leitungen zum Kühlfluid flow. Diese Art des Querbohrens kann jedoch mehrere Probleme wie Spannungskonzentrationen und Lecks verursachen.
Beispiel konventionelle Kühlung. Das einfache Design demonstriert einen einzelnen Kreislauf für Kühlmittel. Bild mit freundlicher Genehmigung von Ante Lausic, Lead Process Engineer – Metal AM, GM
Da diese Kühlkanäle durch gerade Linien gebildet werden, bleiben Hotspots zudem oft außerhalb der Reichweite des Kühlmittels, und die dicksten Teile des Gussstücks, die auch die längsten Erstarrungszeiten haben, werden nicht optimal gekühlt. Da diese Abschnitte auch die längste Zeit zum Abkühlen benötigen, kann eine Beschleunigung des Prozesses in diesen Bereichen dazu beitragen, den gesamten Herstellungsprozess zu beschleunigen. Es kann auch das Risiko mindern, die Form zu früh zu öffnen und geschmolzenes Metall der Atmosphäre auszusetzen.
Metall-AM kann genutzt werden, um einen Einsatz mit konformen Kühlkanälen zu drucken, die den Konturen eines Teils folgen und eine optimiertere Kühlung bieten. Durch die Integration konformer Kühlkanäle können Hersteller mehrere vorteilhafte Ergebnisse erzielen:
- Zykluszeiten reduzieren
- Gleichmäßigere Temperaturgradienten, die helfen, Hotspots zu beseitigen
- Bessere, komplexere Konstruktionen, die die Materialeigenschaften von Druckgussteilen verbessern
Mit konturnaher Kühlung wird es nicht nur möglich, die Fertigung zu beschleunigen, sondern Ingenieure sind möglicherweise auch in der Lage, das Werkzeug thermisch auszugleichen, was zu einem Gussteil führt, das nahezu gleichzeitig erstarrt.
Beispiel für konforme Kühlung. Dieses ausgeklügeltere Design passt sich der Oberfläche an, um schneller abzukühlen. Bild mit freundlicher Genehmigung von Ante Lausic, Lead Process Engineer – Metal AM, GM
Beim Gießen weisen auch die zuletzt erstarrenden Abschnitte eine höhere Konzentration an Lufteinschlüssen auf. Durch die Erstellung einer Kühlstrategie, die die kritischeren Abschnitte schneller verfestigt, kann die konturnahe Kühlung dazu beitragen, die Lufteinschlüsse von schädlichen Bereichen wegzubewegen, sodass Ingenieure durch die Kontrolle des Kühlgleichgewichts die Materialeigenschaften ihrer Teile verbessern können.
Laden Sie das vollständige Whitepaper herunter um zu erfahren, wie Velo3D die nächste Generation der konformen Kühlung ermöglicht, einschließlich:
- Wie die Metall-3D-Drucklösung von Velo3D größere Einsätze und Designfreiheit ermöglicht, um größere und vielfältigere konforme Kühlkanäle mit unterschiedlichen Geometrien zu schaffen
- Wie Velo3D das Drucken von Kanälen mit größerem Durchmesser (bis zu 100 mm) mit einer hochwertigeren Oberflächenbeschaffenheit ermöglicht, was zu einem geringeren Rissrisiko führt
- Wie das Großformat Sapphire XC ermöglicht die Herstellung größerer Einsätze mit einem Durchmesser von bis zu 600 mm bei einem höheren Durchsatz mit 8 Lasern, die durch Vordruck- und Laufzeit-Laserkalibrierungen eine nahtlose Überlagerung erzielen
