Nyheder

Udskrivning af kølekanaler ved hjælp af Meltio AM

ved Christian Sep 14, 2023

Printing Cooling Channels using Meltio AM

Konforme kølekanaler henviser til kølekanaler, der er designet til at tilpasse sig formen på en del, der fremstilles, og derfor ikke kan produceres med traditionelle fremstillingsmetoder. Disse kølekanaler bruges typisk i forme til sprøjtestøbning af polymerer og i en række matricer og værktøjer, der arbejder ved høje temperaturer.

Under sprøjtestøbning sprøjtes plastmaterialet ind i et formhulrum og får lov til at køle af og størkne.

 

Konforme kølekanaler

 

Konforme kølekanaler er designet til at følge konturen af formens hulrum. Ved at placere kølekanalerne tæt på formens overflade og dermed på det emne, der fremstilles, kan varmen fjernes hurtigere og mere effektivt, hvilket reducerer cyklustiden for fremstillingsprocessen.

Konforme kølekanaler kan også forbedre den samlede kvalitet af den endelige del ved at hjælpe med at forhindre defekter som skævhed og indfaldsmærker samt reducere risikoen for termisk træthed og revner i selve formen. Brugen af konforme kølekanaler kræver specialiserede design- og fremstillingsteknikker, såsom 3D-print, og fordelene kan være betydelige i form af forbedret delkvalitet, reducerede cyklustider og øget produktivitet.

Kølekanalernes geometri og design

 

Det første trin i processen er at designe emnet med kølekanalerne ved hjælp af en CAD-software. Kølekanalerne er typisk integreret i emnets design og følger konturen af emnets overflade.

Valget af tværsnitsform til konforme kølekanaler kan afhænge af en række faktorer, herunder den specifikke anvendelse og geometrien af den del, der skal fremstilles. I sidste ende vil valget af tværsnit til konforme kølekanaler afhænge af de specifikke krav til anvendelsen og emnets størrelse og geometri for at skabe et effektivt kølesystem.

2.1. Dråbeform

Cirkulære kølekanaler, der ikke er vinkelrette på byggepladen, kan ikke printes pålideligt, da en rund profil danner et meget stejlt overhæng og en bro i toppen. Dråbeformen reducerer den maksimale overhængsvinkel til en håndterbar grad.

Dråbeformede kølekanaler er typisk bredere i bunden og smallere i toppen, med en afrundet kant i den brede ende og en spids kant i den smalle ende. Denne form giver et stort overfladeareal til varmeoverførsel, samtidig med at den tynde vægtykkelse opretholdes, og mængden af anvendt materiale minimeres.

At designe en dråbeform, der kan printes effektivt, kræver nøje overvejelse af dens vinkel i forhold til den centrale lodrette akse. For at sikre korrekt printbarhed skal dråbeformen have en vinkel på 25 grader eller mindre i forhold til den centrale lodrette akse, der falder sammen med dens midterlinje. Når man ser på den vandrette akse, skal vinklen være 65 grader eller større.

En dråbeform med en vinkel på mere end 25 grader fra den lodrette akse kan være svær at printe eller kræve ekstra støttestrukturer. Generelt vil en mindre vinkel resultere i en lettere printbar form.

Det er også vigtigt at overveje andre designfaktorer, når man bruger dråbeformede kølekanaler, f.eks. afstanden mellem kanalerne og tykkelsen på væggene, som skal være mindst 2,0 mm (den mindste vægtykkelse, der kan trykkes med Meltios teknologi). Disse faktorer kan alle påvirke kølesystemets ydeevne og delens fremstillingsevne.

dråbeformet
Når modellen med kølekanalerne er designet, skal den importeres som en mesh-fil til slicing-softwaren. Alle kanalernes funktioner vil være i denne ene fil.
formet-kølekanal-tværsnit

2.2. Husets form


Som navnet antyder, har disse kanaler en tværsnitsform, der ligner et hus, med et spidst tag og vinklede vægge.

Det husformede kølekanaldesign kan være effektivt, fordi de vinklede vægge skaber turbulens i kølevæskestrømmen, hvilket øger varmeoverførselseffektiviteten. Kanalens spidse tag giver også ekstra overfladeareal til varmeoverførsel. Ikke desto mindre kan et ukorrekt design eller printparametre resultere i reduceret køleeffektivitet eller andre defekter i den endelige del.

De husformede kølekanaler kan være sværere at printe end simplere former som dråbeformede kanaler. Kanalernes vinklede vægge og spidse tag kan skabe udhæng, og derfor bør man tage de samme hensyn som til dråbeformede kanaler: en vinkel fra den lodrette midterakse på 25 grader eller mindre for at bevare printbarheden.

indvendig-vinkel-hus-sektion
Udover at tegne det husformede tværsnit til kølekanalen, er det nødvendigt at tegne en CAD-model formet som et hustag. Den anbefalede måde at tegne denne komponent på er ved at forskyde kølekanalens top mod den centrale lodrette akse, idet man tager højde for den samme indre akse. Forskydningsafstanden skal være halvdelen af afstanden mellem de lodrette vægge og de nederste hjørner af "taget", og den skal være mindst 1,0 mm.
indvendig-vinkel-tag-form
Når disse to tværsnit er omdannet til 3D-komponenter ved at følge den etablerede kølekanals bane, skal selve den endelige del kombineres med kølekanalen for at generere kanalens hulrum.
cad-model-køletag
kølekanal-hul

I samlingen passer taget faktisk ind i kølekanalen, som det kan ses i tværsnittet nedenfor.

kølekanal-tag
I slicer-softwaren skal delen med kølekanalens hulrum og taget importeres som adskilte mesh-filer for at gøre det muligt at anvende specifikke printparametre for hver komponent.
cad-køletag

2.3. Firkantet form

Firkantede kølekanaler bruges ofte i kølesystemer til forskellige anvendelser, herunder elektroniske enheder, motorer og industrimaskiner.

En fordel ved at bruge firkantede kanaler er, at de kan give mere overfladeareal til varmeoverførsel sammenlignet med cirkulære eller andre former. Men der er også nogle ulemper ved at bruge firkantede kanaler, da de kan være sværere at fremstille end cirkulære kanaler, og de kan være mere tilbøjelige til at udvikle spændingskoncentrationer i hjørnerne, hvilket kan føre til firkantede revner over tid.

Hvis man vil have en firkantet kølekanal, er den mest komplicerede opgave at printe den øverste del af firkanten, da den består af en bro mellem to vægge. Derfor er det nødvendigt at tegne oversiden på en bestemt måde for at garantere, at den kan printes.

cad-kølekanal-firkantet
For at lukke den firkantede kølekanal er det nødvendigt at bruge de to på hinanden følgende printlag med specifikke parametre. Når man opretter coveret i CAD-softwaren, anbefales det at tilføje en forskydning på 2,0 til 3,0 mm omkring kølekanalens omkreds set ovenfra. Dette kræver en 2,0 mm høj ekstrudering, da den anvendte laghøjde er 1,0 mm, hvilket resulterer i muligheden for at anvende disse parametre over to lag.
kølekanal-top-view
Når kølekanalen er blevet tegnet i henhold til anbefalingerne, er det nødvendigt at eksportere hoveddelen med kanalens hulrum og dens loft som separate mesh-filer. Dette er nødvendigt for at anvende specifikke printparametre på denne komponent, som vil blive diskuteret i næste kapitel.
kølekanal-hul

2.4. Gyroidal gitterudfyldning


Gyroidal lattice infill er en type infill-mønster til 3D-print, der består af en gentagen, porøs gitterstruktur. Denne gitterstruktur kan bruges til at skabe konforme kølekanaler i 3D-printede dele.

Det gyroidale gittermønster er særligt velegnet til brug i konforme kølekanaler på grund af dets evne til at skabe et komplekst, sammenkoblet netværk af kanaler, der effektivt kan fjerne varme fra emnet. Gitterstrukturen består af buede kanaler, der griber ind i hinanden og giver et stort overfladeareal til varmeoverførsel, samtidig med at den strukturelle integritet bevares.

Brug af en gyroidal gitterfyldning til kølekanaler kan give en masse fleksibilitet med hensyn til kanalernes geometri og form. Ved at inkorporere en gyroidal gitterfyldning i designet af en kølekanal, er det muligt at skabe kanaler med komplekse og ukonventionelle former. Således kan en kølekanal med gyroidal gitterfyldning uden problemer matche emnets form og følge dets konturer uden behov for yderligere støttestrukturer.

TIP: Hvis du vil vide mere om, hvordan køling kan hjælpe og forbedre dine produktionsmuligheder, kan du downloade fulde whitepaper gratis.

Dette kan give større designfleksibilitet og tilpasning samt forbedret køleevne ved at optimere kanalernes form og størrelse, så de matcher applikationens specifikke kølekrav. En anden fordel ved at bruge gyroidal gitterfyldning til kølekanaler er, at det nemt kan integreres i delens overordnede design, hvilket eliminerer behovet for yderligere komponenter eller monteringstrin. Det kan være med til at reducere de samlede omkostninger og kompleksiteten i fremstillingsprocessen.

Det er dog vigtigt at overveje design- og printparametrene nøje, når man bruger gyroidal lattice infill til kølekanaler, da forkert design eller printparametre kan resultere i reduceret køleeffektivitet eller føre til andre defekter i den endelige del.

Meltio Horizon slicer tilbyder en ny infill-strategi til Gyroid Lattice til at generere dele med defineret åben celleporøsitet. I kombination med objektmodifikatorerne er det nemt at definere et centralt område i konstruktionen og anvende forskellige skraveringsstrategier baseret på modeloverlapning. Der er ingen grund til at bekymre sig om at have en solid model med et gyroid-gitter i CAD-softwaren, fordi det kan implementeres direkte i slicer-softwaren.

Ved at bruge Meltio Horizon skal delen med kølekanalens hulrum og den solide model af kølekanalens volumen importeres som individuelle mesh-filer. Derefter kan Gyroid Lattice infill vælges som infill-mønster til kølekanalen, mens der kan bruges en lineær infill til delen. Når man har disse to komponenter i slicer-softwaren, kan man anvende de specifikke printparametre for hver komponent.

kølekanal-simulering

G-kodeindstillinger og udskrivningsparametre

 

Udskrivningsparametrene er de forskellige indstillinger og konfigurationer, der bruges i udskrivningsprocessen til at styre 3D-printerens opførsel. Disse indstillinger omfatter faktorer som laghøjde, infill-tæthed, printhastighed, lasereffekt og meget mere. Valget af passende G-kodeindstillinger og printparametre kan have en betydelig indvirkning på printprocessens kvalitet, hastighed og pålidelighed samt slutproduktets samlede ydeevne.

Når man printer kølekanaler, er følgende parametre afgørende for at sikre deres effektivitet og korrekte funktionalitet.

1. Lagets højde: Laghøjden bestemmer opløsningen af den printede del og kan påvirke nøjagtigheden af kølekanalens dimensioner. En mindre laghøjde kan give en mere nøjagtig og præcis kanal.

For kølekanalens top skal laghøjden være 0,8 mm eller 1,0 mm.

2. Indvendig udfyldningsvinkel: De vinkler, der dannes mellem infill-linjerne inde i et 3D-printet objekt. Infill er det materiale, der fylder indersiden af et 3D-printet objekt for at give støtte og stabilitet. Vinklen på infill-linjerne kan have en betydelig indvirkning på styrken og holdbarheden af det printede objekt.

Dæklagene i kølekanalerne skal have infill-vinklen indstillet på en måde, så værktøjsstien er vinkelret på de allerede eksisterende vægge, der skal understøtte det. På den måde vil hver linje have en eksisterende struktur til at starte og afslutte printningen.

kølekanal-infill-vinkel

3. Overlapning af kontur: TMængden af overlapning mellem tilstødende printede konturer (perimetre) i 3D-modellen. Indstillingen Outline Overlap bestemmer, hvor meget omkredsene overlapper hinanden, når de printes, hvilket kan påvirke den overordnede kvalitet og styrke af det printede objekt.

En højere Outline Overlap-indstilling vil resultere i bedre vedhæftning mellem omkredsene og en stærkere overordnet struktur. Specifikt for de lag, der skal lukke kølekanalerne, bør værdien indstilles til 99,0% for at kompensere for den manglende brug af omkredsen.

4. Udfyldningstæthed: Det bestemmer mængden af materiale, der bruges til at fylde mellemrummet mellem de printede lag. En højere udfyldningstæthed kan øge styrken og holdbarheden af den printede del, men det kan også reducere kølekanalens effektivitet.

For kølekanaler med gyroidal gitterfyldning skal denne parameter indstilles inden for et interval på 20,0% til 22,5%. Lavere fyldningstætheder foretrækkes generelt til kølekanaler for at maksimere deres funktionalitet.

5. Lasereffekt: Lasereffekten bestemmer mængden af energi, der leveres til tråden og substratet, hvilket påvirker smeltebadets størrelse og dybde. En højere lasereffekt kan øge smeltebadets størrelse og deponeringshastigheden, men det kan også øge risikoen for defekter eller forvrængning.

For at printe lagene direkte over hulrummet i kølekanalen, ergo kølekanalens loft, skal lasereffekten reduceres til et område fra 225 W til 275 W. Generelt bør en lasereffekt på 250 W fungere godt til dette formål.

6. Udskrivningshastighed: Udskrivningshastigheden er en vigtig parameter, da det er nødvendigt at reducere hastigheden betydeligt for at kunne udskrive over et hul for at lukke kølekanalen.

Udskrivningshastigheden skal indstilles i slicer-softwaren inden for et område på 100 mm/min til 300 mm/min. I printeren kan printhastigheden holdes på 100%.

7. Flow Factor Infill (tilførselshastighed for deponering): Den bestemmer den hastighed, hvormed tråden smeltes og deponeres på emnet. En højere trådfremføringshastighed kan øge deponeringshastigheden, men det kan også øge risikoen for uensartet deponering.

For at kompensere for reduktionen i printhastigheden er det nødvendigt at øge trådfremføringshastigheden med ca. 40% sammenlignet med den værdi, der bruges til de andre områder af komponenten. Mens tommelfingerreglen kan give en generel retningslinje, vil den faktiske værdi af parameteren afhænge af størrelsen og geometrien af den del, der printes.

8. Proceskontrol: Det er et system udviklet af Meltio, der justerer fremføringshastighederne i realtid for at undgå mulige fejl i printprocessen. Det registrerer, når der er mangel på kontinuitet i smeltepuljen (mangel på materiale), og fylder det tomme sted ved præcist at øge fremføringshastigheden, mens der registreres diskontinuitet.

Processtyringen skal indstilles som deaktiveret for at printe kølekanalernes loft for at undgå, at printeffekten og deponeringshastigheden automatisk øges, da der faktisk er mangel på materiale, der svarer til kølekanalens mellemrum.

9. Varm tråd: Den varme tråd er et system, der er designet til at øge systemets printhastighed ved at forvarme materialet, før det kommer ind i smeltebadet. Systemet fungerer ved at sende en stor strøm fra deponeringshovedet gennem den usmeltede tråd til byggepladen, som er jordforbundet. Da svejsetråden har den højeste elektriske modstand i kredsløbet, opvarmes den fortrinsvis.

Hot Wire skal indstilles inden for et område på 2 A til 5 A til printning af de lag, der dækker kølekanalerne.

10. Temperatur på printseng: Printbeds temperatur kan påvirke vedhæftningen af den printede del til printbeds, hvilket kan påvirke kvaliteten af kølekanalerne. En højere printtemperatur kan være nødvendig for visse materialer for at sikre korrekt vedhæftning, men det kan også øge risikoen for vridning eller andre printdefekter.

At printe en raft er en almindelig teknik, der bruges til at forvarme printbedet og sikre god vedhæftning mellem det første lag af printet og printbedet. En raft giver et større overfladeareal, som det første lag af printet kan klæbe til, hvilket reducerer risikoen for vridning, løft eller andre problemer, der kan opstå, når det første lag ikke klæber godt til printbedet.

Derudover kan forvarmning af printbedet med en raft hjælpe med at opretholde en ensartet temperatur på tværs af printbedet, hvilket resulterer i mere ensartede og præcise print.

TIP: Hvis du vil vide mere om, hvordan køling kan hjælpe og forbedre dine produktionsmuligheder, kan du downloade fulde whitepaper gratis.

Indlægget Udskrivning af kølekanaler ved hjælp af Meltio AM blev vist første gang den Meltio.