Wie MAX IV die Kühlleistung mit 3D-gedruckten Kupferblöcken optimiert hat
MAX IV Labor, erforscht, wie 3D-gedruckte Kühlblöcke könnte die thermische Leistung und die Designflexibilität verbessern. In dieser internen Studie wurden 3D-gedruckte und traditionell bearbeitete Blöcke verglichen, wobei der Schwerpunkt auf Toleranzen, Kühleffizienz und Eignung für Ultrahochvakuum-Umgebungen (UHV) lag.
Warum sollte man 3D-Druck für Kühlblöcke in Betracht ziehen?
In Synchrotron-Systemen spielen Kühlblöcke eine Schlüsselrolle beim Wärmemanagement. Herkömmliche Blöcke bestehen aus gebohrten Kanälen, die durch Rohre oder versiegelte Stopfen verbunden sind - ein Ansatz, der die Flexibilität einschränkt und das Risiko von Lecks erhöht.
Im Gegensatz dazu, 3D-Druck von Metall können gekrümmte interne Kanäle direkt in die Struktur eingebaut werden. Diese Designfreiheit verbessert die Wärmeübertragung, reduziert die Montagezeit und minimiert Leckagepfade.
Werkstoffauswahl: Warum CuCrZr?
MAX IV ausgewählt CuCrZr (Kupfer-Chrom-Zirkonium) basierend auf früheren UHV-Verträglichkeitstests. Es bot die richtige Balance zwischen thermischen und mechanischen Eigenschaften:
Hohe Wärmeleitfähigkeit für eine effiziente Kühlung.
Gute mechanische Festigkeit die UHV-Dichtungen mit Schneidkanten ermöglichen.
Ausgezeichnete Vakuumleistung, und übertrifft damit reines und sauerstofffreies Kupfer.
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
✅ Die Der 3D-gedruckte Block schnitt gut ab, obwohl die maschinell gefertigte Version aufgrund ihrer schärferen Kanalecken, die die Wärmeübertragung verbesserten, eine etwas bessere Kühlleistung aufwies.
✅ Die Der 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
Die Studie hat gezeigt, dass 3D-gedruckte Kühlblöcke aus Kupfer sind eine praktische Option für UHV-kompatible thermische Komponenten. Künftige Tests werden Druckabfall- und Partikelfreisetzungsmessungen umfassen, um die Langzeitleistung zu validieren.
MAX IV plant die Erforschung von gitterbasierten Kühlungsdesigns, um die Wärmeableitung weiter zu verbessern.
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 würden profitieren 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
Die Bewertung hat bestätigt, dass 3D-Druck von Metall ermöglicht die Herstellung komplexer interner Kanäle, die die Kühlung verbessern, ohne die Genauigkeit zu beeinträchtigen. Während sich die konventionelle Bearbeitung nach wie vor bei scharfkantigen Geometrien auszeichnet, bietet die additive Fertigung neue Designmöglichkeiten für thermische Hochleistungssysteme.
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