Bewertung von 3D-gedruckten Kühlblöcken bei MAX IV
Unter MAX IV Labor,erforschen die Forscher ständig neue Fertigungstechniken, um die Effizienz zu verbessern und ihr technisches Know-how zu erweitern. Als Teil einer internen Gelegenheitsstudie zum 3D-Metalldruck wurde ein Test durchgeführt, um die Machbarkeit von 3D-gedruckten Kühlblöcken mit CuCrZr zu bewerten.
Ziel war es, 3D-gedruckte und herkömmlich bearbeitete Kühlblöcke zu vergleichen, wobei der Schwerpunkt auf Maßtoleranzen, Kühlleistung und Eignung für Ultrahochvakuum (UHV)-Anwendungen lag.
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, die durch Schläuche verbunden sind oder versiegelte Ausgänge haben. 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 in die Struktur integriert, was ein effizienteres Wärmemanagement ermöglicht und die Komplexität der Montage verringert.
Werkstoffauswahl: Warum CuCrZr?
CuCrZr (Kupfer-Chrom-Zirkonium) wurde aufgrund früherer Vakuumkompatibilitätstests bei MAX IV ausgewählt. Im Vergleich zu reinem Kupfer und Standardkupfer erwies sich CuCrZr als die beste Option für UHV-Anwendungen und bietet:
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 gekrümmte Innenkanäle, wobei die Fähigkeit des 3D-Drucks zur Erstellung komplexer Geometrien genutzt wurde. Die Gewinde für die Anschlüsse wurden später maschinell bearbeitet und nicht direkt im 3D-Druckverfahren hergestellt.
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 mm, was 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 die interne Reinigung von 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
DieDer 3D-gedruckte Block schnitt gut ab, obwohl die maschinell gefertigte Version aufgrund ihrer schärferen Kanalecken, die die Wärmeübertragung verbesserten, eine etwas bessere Kühlleistung aufwies.
DieDer 3D-gedruckte Block mit mehreren Kanälen zeigte erwartungsgemäß die beste Kühlleistung, was auf die längeren Strömungswege und die Nähe zur Oberfläche zurückzuführen ist.
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, lieferte aber wertvolle Erkenntnisse für künftige Konstruktionen.
Wichtigste Erkenntnisse
Der 3D-Druck ermöglicht komplexere Kühlkanäle, die die Leistung in bestimmten Anwendungen verbessern können.
Die Maßtoleranzen waren besser als erwartet und machen LPBF zu einer praktikablen Option für Präzisionsteile.
Zusätzliche Tests wie Druckabfall und Partikelfreisetzung würdenprofitieren eine umfassendere Bewertung.
In zukünftigen Entwürfen könnte MAX IV alternative Kühlgeometrien, wie z. B. Gitterstrukturen, erforschen, 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, der sofortige Kostenvoranschlag und die Auftragserteilung waren problemlos.
Präzisionsfertigung - Die Maßgenauigkeit des fertigen Teils war besser als erwartet und wies nur minimale Abweichungen auf.
Zuverlässiger Kundensupport - 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-gedruckten Kühlblöcken lieferte MAX IV wertvolle Daten über die Machbarkeit der additiven Fertigung von Metallen für Kühlanwendungen.
Maschinell bearbeitete Teile bieten zwar immer noch eine etwas bessere Leistung, Die Fähigkeit des 3D-Drucks, komplexe Innengeometrien zu erzeugen macht es zu einer praktikablen Option für bestimmte Designs.
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