Probleem op deze pagina?

Project: CONFORMAL COOLING DOOR MIDDEL VAN SELECTIVE LASER MELTING

TETRA: Technologie-transfer gerichte projecten door instellingen van hoger onderwijs
01/01/2015
31/12/2016

• validatie van Selective Laser Melting als methode voor het realiseren van koelkanalen en vormholte
• duidelijke ontwerpregels voor een optimaal Conformal ontwerp van de koelkanalen en dit op een zo eenvoudig mogelijke manier
• nagaan van de kwaliteit en levensduur van de matrijzen die opgebouwd werden met SLM
• systematisch de winst in cyclustijd en productkwaliteit nagaan
• validatie van beschikbare simulatiesoftware
• documenteren en toegang verschaffen tot optimalisatie van de matrijs met behulp van simulatiesoftware (bijvoorbeeld in de vorm van dienstverlening)

Spuitgieters
Matrijzenbouwers
SLM-leveranciers
Simulatiesoftwareleveranciers
Leveranciers van randapparatuur en toebehoren aan de kunststofindustrie

In het spuitgietproces neemt koeling tot 50% of meer van de totale cyclustijd in beslag. Stukken worden bovendien vaak afgekeurd wegens defecten (zoals kromtrekken of inval) die te wijten zijn aan een slechte koeling. Oorzaken zijn te vinden in de beperkte designvrijheid van de koelkanalen indien men gebruik maakt van de conventionele productietechnieken (boren, frezen) die alleen rechte of 2D-gekromde koelkanalen toelaten. Met koelkanalen die de 3D-krommingen van de matrijsholte volgen (Conformal Cooling) verkort de koeltijd en de cyclustijd, vermindert de productuitval en wordt een hogere productkwaliteit verzekerd. Met de technologie van 3D-printing van metalen, is het mogelijk koelkanalen en matrijsholte op te bouwen met grote designvrijheid. Dit principe werd in het verleden met beperkt succes uitgetest met behulp van 3D-printing processen als Selective Laser Sintering (SLS) en Direct Metal Laser Sintering (DMLS). Koeltijden werden sterk gereduceerd (20-60%), maar het ingewikkeld ontwerpproces en vooral de mindere kwaliteit en beperkte levensduur van de zo bekomen matrijzen verhinderden een doorbraak bij de spuitgieters. SLS en DMLS leverden immers matrijsdelen met een hardheid van slechts 30 HRC, restporositeit, enz. Sinds enkele jaren is een nieuwe productietechniek op de markt beschikbaar die gelijkwaardige materiaaleigenschappen als van conventionele matrijzen (met bijvoorbeeld hardheden van 54 HRC) oplevert: Selective Laser Melting (SLM). Bovendien zijn nieuwe tools voor het ontwerpen en optimaliseren van contourvolgende koelkanalen beschikbaar in state-of-the-art simulatiepakketten van spuitgietprocessen, zodat Conformal Cooling op het punt staat om te kunnen doorbreken in de spuitgietwereld.
Het doel van het project is dat spuitgieters de stap tot Conformal Cooling durven en kunnen zetten en dit met een gefundeerd en optimaal ontwerp van de koelkanalen. Enkel zo kunnen zij blijven voldoen aan de vraag van hun klanten om producten te leveren tegen hogere kwaliteitseisen, kortere levertijd en lagere kostprijs. Spuitgieters moeten zeker zijn dat SLM-matrijzen qua levensduur evenwaardig zijn aan conventionele matrijzen. Daartoe zal een proefmatrijs met SLM-onderdelen uit gereedschapstaal gerealiseerd en uitgebreid getest worden. Hierbij zal de slijtage na het spuitgieten van grote reeksen zwaar abrasieve vezelversterkte kunststoffen gedocumenteerd worden. Door te werken met uitwisselbare matrijsplaten zal de SLM-gebaseerde matrijs omgebouwd kunnen worden tot een matrijs met conventionele koeling. Dit laat toe om de productkwaliteit met en zonder Conformal Cooling te vergelijken op maat- en vormnauwkeurigheid en eventuele aanwezigheid van andere defecten (inval, krimpholtes, …). SLM-matrijzen hebben een hogere kostprijs, die (ook rekening houdend met seriegroottes) moet terugverdiend worden met kortere cyclustijden, een lagere productuitval en betere productkwaliteit. Tijdens interactieve workshops zal onder meer ingegaan worden op de mogelijkheden en beperkingen van SLM en het ontwerpen van contourvolgende koelkanalen ondersteund door simulatiepakketten. In het project zullen we spuitgieters, matrijzenmakers en leveranciers van SLM-onderdelen laten samenwerken rond bedrijfscases zodat zij elkaars noden en eisen beter leren kennen, wat na afloop van het project een betere service zal opleveren.

Binnen het project zijn twee conform gekoelde testmatrijzen ontwikkeld met behulp van de SLM 3D-printtechniek. Ten eerste werd een matrijs gemaakt voor het produceren van ijscrèmedoosjes. Ten tweede werden de koelkanalen van een reeds bestaande matrijs voor het spuitgieten van sorteerbakjes geëvalueerd met behulp van simulatiesoftware en herontwerpen volgens ontwerpregels.
Met behulp van deze twee sorteerbakjesmatrijzen, kon er een vergelijking gemaakt worden tussen de originele conventionele koeling en de vernieuwde conforme koeling. Een van de belangrijkste geverifieerde voordelen van de conforme koeling is de mogelijkheid tot cyclustijdreductie. Dankzij de ligging van de koeling tegen het product, is de warmteoverdracht van product naar koelkanalen groter en wordt een meer uniforme matrijswandtemperatuur gerealiseerd. Hierdoor zal de gesmolten kunststof, die op temperaturen boven 200°C wordt ingespoten, in kortere tijd en meer gelijkmatig worden afgekoeld tot de nodige uitwerptemperatuur. Zo is de koeltijd van het opbergbakje gereduceerd van 9,5 seconden naar 4,0 seconden wat overeenkomt met een koeltijdreductie van zestig procent en een cyclustijdreductie van dertig procent.
Dankzij de uniformiteit van de koeling, die typisch voor conforme koeling wordt geformuleerd als een maximaal temperatuurverschil van 10°C over het matrijsoppervlak, wordt ook de vorm van de matrijs beter overgenomen dankzij de lagere interne spanningen. Hierdoor zijn vormgevoelige producten zoals dunne platen of dunwandige bakjes eenvoudiger te produceren. Ondanks de verstevigingsribben ondervindt ook het opbergbakje kromtrekking van de wanden. Bij conventionele koeling buigen de wanden naar binnen over een afstand van gemiddeld 3,3 millimeter terwijl dit bij conforme koeling gemiddeld maar 1,7 millimeter bedraagt bij een gelijke koeltijd. Ook hier draagt conforme koeling met behulp van SLM duidelijk voordelen met zich mee.

KU Leuven
Tim Evens
Harden, warmtebehandeling-, Heat exchangers, warmtewisselaars, Heat/Warmte transport en toevoer, district heating, Kunststof en Rubber gerelateerd aan Chemische Technologie en engineering, Kunststoffen, Polymeren, Machine Tools, Mathematische modellering, Metalen en legeringen, Simulatie, Simulatie Engineering, Temperatuurmonitoring, Thermodynamica
Bart Buffel, Frederik Desplentere, Jozefien De Keyzer, Tim Evens
Luc Verhoeven (Just Innovation), Luc Larmuseau (iLLumoo)
http://www.celkunststoffen.be
Share this on