Konform hűtés additív gyártással

voestalpine conformal cooling channels

Az additív gyártás – szemben a hagyományos, anyageltávolításon alapuló megmunkálással – jelentős tervezési rugalmasságot kínál a szerszámbetétek kialakításában. Ahhoz azonban, hogy ezt a lehetőséget teljes mértékben ki lehessen használni, fontos, hogy a végső alkatrészek tulajdonságai – amelyeket a poranyag, a gyártási paraméterek és a hőkezelés együtt határoznak meg – megegyezzenek a hagyományosan használt tömör anyagokéval. A voestalpine Additive Manufacturing Centers széles választékban kínál korrózió- és kopásálló anyagokat, amelyek kiemelkedő szívóssággal rendelkeznek. Ezeket a továbbfejlesztett tulajdonságokat speciálisan tervezett alapanyagokkal és precízen szabályozott gyártási folyamattal érik el.

Az additív gyártás (AM), más néven „3D nyomtatás”, nem csupán egy új gyártási módszer – hanem egy teljesen új gondolkodásmód. A digitális tervezés során nincsenek határok: a végtermék rétegről rétegre épül fel, szinte bármilyen formában.

Az AM lehetővé teszi a gyorsabb gyártást, kisebb súlyú alkatrészek előállítását, valamint olyan formák létrehozását, amelyek korábban nem voltak megvalósíthatók. A digitálisan megtervezett 3D-CAD modell alapján még a legösszetettebb szerkezetek is „kinyomtathatók” fémporból – amelyet kifejezetten az adott alkalmazás követelményeihez fejlesztettek ki.

A voestalpine mint globális acél- és technológiai vezető, hosszú évek tapasztalatára építve ösztönzi az innovációt és a fejlesztést. Az ötvözetek kifejlesztésétől és a fémpor gyártásától kezdve a tervezésen, gyártáson és utófeldolgozáson (például hőkezelésen) át teljes körű, testreszabott megoldásokat kínálunk – az ötlettől a kész alkatrészig.

Korrózióálló acélminőségek

GradeAchievable hardnessCorrosion resistanceWear resistancePolishabilityNotch impact energy

1.2083 ESR²

52 HRC

★★★

★★★

★★★

/

Uddeholm Corrax® for AM

50 HRC

★★★★★

★★★

★★★★

★★★★

Uddeholm Tyrax® for AM

551 (58) HRC

★★★★

★★★★★

★★★★★

★★★★★

BÖHLER M789 AMPO

52 HRC

★★★★★

★★★

★★★★

★★★★

1Közvetlen hőkezelés

Melegalakító acélminőségek

GradeAchievable hardnessCorrosion resistanceWear resistancePolishabilityNotch impact energy

1.2343 ESR²

53 HRC

/

★★★

★★★★★

/

BÖHLER W722 AMPO (~1.2709)

54 HRC

/

★★★

★★★★

/

Uddeholm Dievar® for AM

48 HRC

/

★★★

★★★★★

★★★★★

BÖHLER W360 AMPO

57 HRC

/

★★★★★

★★★★

★★★


Az additív gyártással készült szerszámbetétek teljes optimalizálásához elengedhetetlen a megfelelő poranyag kiválasztása és az optimális gyártási paraméterek meghatározása. A konform hűtés valódi előnyei azonban csak akkor érvényesülnek, ha a szerszámtervezés szimuláció-alapú megközelítéssel történik. A voestalpine átfogó szolgáltatást nyújt ezen a területen, hogy ügyfelei számára jobb teljesítményt és nagyobb hatékonyságot biztosítson. Ennek köszönhetően nemcsak az időigényes próbafolyamatok, hanem a költséges módosítások is jelentősen csökkenthetők vagy akár teljesen elkerülhetők.

A voestalpine kávéspohár több kihívást is jelent a szerszám hőmérsékletének szabályozása szempontjából. A pohár oldalán található gyémántmintázat a falvastagság változását okozza az áramlási út mentén, ami a körkörös áramlási front sebességének egyenetlenségéhez és a hőelvezetés eltéréséhez vezet. Emellett a felületen található finom mikroszerkezetek magasabb szerszámfal-hőmérsékletet igényelnek, ami viszont meghosszabbítja a hűtési időt.

A hagyományos és a kontúrkövető hőmérséklet-szabályozás összehasonlítása kiemeli a konform hűtés előnyeit. A konform hűtés esetén a hűtőcsatornák pontosabban követik az alkatrész formáját, így a gyémántmintázatok hűtés közbeni pontosabb leképezése válik lehetővé. Ez különösen előnyös a kritikus formaadó területen, ahol a hőelvezetés kulcsszerepet játszik a ciklus során, lehetővé téve a sokkal hatékonyabb hűtést.

A fröccsöntött alkatrész kritikus minőségi jellemzője az O-gyűrű fészkének körkörössége és átmérője. Az ábra azt mutatja, hogy konform hűtés esetén a deformáció körülbelül 0,24 mm-rel csökken, annak ellenére, hogy a hűtési idő 10 másodperccel rövidebb. Ugyanilyen fontos, hogy a szükséges tűréshatár továbbra is teljesül. A jelentős vetemedéscsökkenés annak köszönhető, hogy a csúszkapofák szerszámfal-hőmérséklete rendkívül homogén (ΔT < 2 K).

Temperature comparison image
Conformal cooling vs Conventional cooling comparison.

Virtuális mintavételezést alkalmaztak az optimális feldolgozási paraméterek meghatározására: 40 °C a csúszakpofák esetében, valamint 20 °C a szerszámmag és a beömlőpersely esetében. Ez a megközelítés lehetővé tette az ideális egyensúly elérését a költséghatékonyság (rövidebb ciklusidő) és a magas alkatrészminőség (pontosság, felületi struktúra visszaadása, minimális vetemedés és körkörösség) között.

table conventional cooling vs voestalpine conformal cooling

A voestalpine kávéspohár tető geometriája kevésbé hajlamos a vetemedésre. Azonban a jelentős, 3,5 mm-es falvastagság kihívást jelent a hűtőrendszer tervezésekor. A nagy falvastagság szükséges ahhoz, hogy elegendő utónyomási nyomáshatás jöjjön létre mind az ivóél területe, mind a bepattintható zárórész területén.

A hatékony hőelvezetés kulcsfontosságú, különösen a kilökő oldali mag esetében, amely egy nagyméretű kilökőbélyeggel van összekapcsolva. A hagyományos hűtőcsatorna-kialakításoknál a hűtés csak a mag geometria alatt lehetséges, így a mag hőmérséklete az üzemi ciklus elején több mint 10 °C-kal meghaladja a közeg hőmérsékletét. Ezzel szemben a konform hűtés lehetővé teszi, hogy a hűtőcsatornák közel kerüljenek az alkatrész geometriájához, így a mag minden ciklus elején képes tartani a beállított közeg-hőmérsékletet.

diagram comparing conventional and conformal cooling

A KÁVÉSPOHÁR TETŐ SZERSZÁM kialakításánál komoly kihívást jelent az ömledék feltorlódás kezelése a tető alja és az ivóél területe közötti átmenetnél. Ezt a problémát tovább súlyosbítja a dupla perem jelenléte ezen a területen, amely tovább csökkenti a hőelvezetéshez rendelkezésre álló felületet. Mivel az ivóél egy kulcsfontosságú minőségi jellemző a látható felületen, elengedhetetlen, hogy a hűtés ne csak hatékony utónyomást biztosítson, hanem megakadályozza a beszívódási nyomok kialakulását is. Konform hűtés alkalmazásával ebben a zónában jelentősen javítható a hűtési hatékonyság a hagyományos kialakításhoz képest.

diagram showing difference between conventional and conformal cooling on the coffee cup lid

További tényezőként a forrócsatorna fúvóka hőbevitele is kulcsszerepet játszik a tető aljának laposságában. A mag- és kiemelőterületek hatékonyabb hűtése tovább javítja a laposságot. Mindkét minőségi javulás egyidejűleg valósult meg egy jelentős, 10 másodperces ciklusidő-csökkenéssel.

voestalpine lid process comparison