Bewertung von 3D-gedruckten Kühlblöcken bei MAX IV
Unter MAX IV Laborerforschen die Forscher ständig neue Fertigungstechniken, um die Effizienz zu verbessern und ihr technisches Know-how zu erweitern. Als Teil einer internen Opportunitätsstudie zum 3D-Metalldruckwurde ein Test durchgeführt, um die Durchführbarkeit von 3D-gedruckte Kühlblöcke mit CuCrZr.
Das Ziel war der Vergleich 3D-gedruckte und traditionell bearbeitete Kühlblöckemit Schwerpunkt auf Abmessungstoleranzen, Kühlleistung und Eignung für Ultrahochvakuum (UHV)-Anwendungen.
Warum sollte man 3D-Druck für Kühlblöcke in Betracht ziehen?
Bei Synchrotronanwendungen sind die Kühlsysteme entscheidend für Beherrschung des Wärmestaus. Herkömmliche Kühlblöcke haben in der Regel gerade gebohrte Kanäle durch Schläuche verbunden oder mit versiegelten Ausgängen. Diese Methoden sind jedoch mit Einschränkungen verbunden:
🔹 Begrenzte Designflexibilität - Herkömmliche Methoden machen die Herstellung komplexer interner Kühlkanäle schwierig oder unmöglich.
🔹 Potenzielle Leckagerisiken - Jede Verbindung oder Dichtung erhöht die Wahrscheinlichkeit von Leckagen.
🔹 Höhere Kosten für komplexe Geometrien - Mehrteilige Baugruppen erfordern zusätzliche Bearbeitung und Arbeit.
Mit 3D-DruckKühlkanäle können sein direkt integriert in die Struktur, wodurch mehr effizientes Wärmemanagement bei gleichzeitiger Reduzierung Montagekomplexität.
Werkstoffauswahl: Warum CuCrZr?
CuCrZr (Kupfer-Chrom-Zirkonium) wurde auf der Grundlage früherer Vakuumkompatibilitätstests bei MAX IV ausgewählt. Im Vergleich zu Reines Kupfer und Standardkupferwurde CuCrZr als die beste Option für UHV-Anwendungenanbieten:
✅ Hohe Wärmeleitfähigkeit - Wesentlich für eine effiziente Kühlung.
✅ Ausreichende mechanische Festigkeit - Im Gegensatz zu sauerstofffreiem Kupfer kann CuCrZr Messerschneidendichtungen im UHV verwendet.
✅ Bessere Vakuumverträglichkeit - Gute Leistung unter Ultrahochvakuumbedingungen.
Testen des 3D-gedruckten Kühlblocks
Design des Kühlblocks
Der Kühlblock wurde entworfen mit gebogene innere Kanäle, unter Ausnutzung der Die Fähigkeit des 3D-Drucks, komplexe Geometrien zu erstellen. Die Gewinde für die Anschlüsse wurden später gefräst und nicht direkt 3D-gedruckt.
Technische Zeichnungen
Die technischen Zeichnungen zeigen die interne Kanalstrukturen und allgemeine Designüberlegungen.
Abbildung 2: Technische Zeichnungen des Kühlblocks mit der Anordnung der Kanäle.
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Das Teil wurde gedruckt mit LPBF (Laser-Pulver-Bett-Fusion) und kam innerhalb der erwarteten Vorlaufzeit an.
Leistung und Testergebnisse
Maßgenauigkeit
Nach Erhalt des gedruckten Kühlblocks wurde dieser auf seine Genauigkeit hin vermessen. Die größte Abweichung war 0,2 mmwas besser als erwartet war.
✅ Nennlänge: 100 mm
✅ Gemessene Länge: 100,16 mm
Abbildung 3: CMM-Messungen, die die hohe Maßhaltigkeit des gedruckten Teils bestätigen. Links (oben) und rechts (unten).
Oberflächenqualität und Pulverentfernung
- Oberflächenrauhigkeit: Ra 8-10 µm, übereinstimmend mit LPBF-Drucken.
- In den Kanälen wurden einige Pulverrückstände gefunden, die jedoch akzeptabel waren, da MAX IV führt eine interne Reinigung für UHV-Komponenten durch.
Vergleich der Kühlungsleistung
Der Kühlblock wurde getestet unter geänderte MAX IV-Kühlbedingungen:
🔹 Wasserdurchfluss:0,4 l/min
🔹 Wärmezufuhr: 200W
🔹 Temperaturüberwachung: tHermokoppels on Block und Wasserr Einlasss/Ausgänge
Wichtigste Ergebnisse
✅ Die 3D-gedruckter Block zeigte gute LeistungenAllerdings hatte die bearbeitete Version etwas bessere Kühlleistung aufgrund seiner schärfere Kanaleckenwas die Wärmeübertragung verbessert.
✅ Die 3D-gedruckter Block mit mehreren Kanälen wies erwartungsgemäß die beste Kühlleistung auf, und zwar aufgrund von längere Fließwege und Nähe zur Oberfläche.
Abbildung 4: Querschnitt des Kühlblocks mit den inneren Kanälen nach dem Schneiden.
Künftige Anwendungen und nächste Schritte
Auf der Grundlage dieser Bewertung sieht MAX IV Potenzial für 3D-gedruckte Kühlkomponenten in zukünftigen Anwendungen. Dieser spezielle Testblock war zwar nicht für den direkten Einsatz in Geräten gedacht, er lieferte aber wertvolle Erkenntnisse für künftige Entwürfe.
Wichtigste Erkenntnisse
✔ 3D-Druck ermöglicht komplexere Kühlkanäledie die Leistung bei bestimmten Anwendungen verbessern können.
✔ Die Maßtoleranzen waren besser als erwartetund macht LPBF zu einer praktikablen Option für Präzisionsteile.
✔ Zusätzliche Tests wie Druckabfall und Partikelfreisetzung würden profitieren eine umfassendere Bewertung.
In künftigen Entwürfen könnte MAX IV Folgendes untersuchen alternative Kühlgeometrienwie z. B. Gitterstrukturen, um die Wärmeableitung zu verbessern.
Einfacher und zuverlässiger Prozess
Der Prozess der Bestellung und des Erhalts des 3D-gedruckten Teils war Unkompliziert und effizient.
Die wichtigsten Highlights der Zusammenarbeit:
✅ Einfache Online-Bestellung - Das Hochladen der STL-Datei, das Einholen eines sofortigen Kostenvoranschlags und das Aufgeben der Bestellung waren problemlos.
✅ Präzisionsfertigung - Der letzte Teil ist die Maßhaltigkeit war besser als erwartetmit minimaler Abweichung.
✅ Zuverlässige Kundenbetreuung - Das Feedback und die Unterstützung durch das MakerVerse-Team waren während des gesamten Prozesses hilfreich.
Nils PistoraMaschinenbauingenieur bei MAX IV, teilte seine Erfahrungen mit:
"Laden Sie einfach die STL-Datei auf MakerVerse hoch und geben Sie eine Bestellung auf. Es könnte nicht einfacher sein. Die Maßtoleranzen waren erstaunlich gut und übertrafen die Erwartungen. Die Benutzerfreundlichkeit Ihrer Webseite, kombiniert mit der sofortigen Angebotserstellung und dem hilfreichen Feedback von Kaitlin Wong, machte den Prozess nahtlos."
Wertvolle Lernerfahrung
Diese Bewertung von 3D-gedruckte Kühlblöcke versorgte MAX IV mit wertvolle Daten über die Durchführbarkeit von Metall-Additiv-Fertigung für Kühlanwendungen.
Während Bearbeitete Teile bieten immer noch eine etwas bessere Leistung, Die Fähigkeit des 3D-Drucks, neue komplexe Innengeometrien macht es zu einem eine praktikable Option für bestimmte Entwürfe.
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