Trumpf TruPrint 1000: Bauteilgestaltung am Beispiel Diodenkühler

Mittels LMF produzierbare Gestalt eines Diodenkühlers als montierte Baugruppe.

Die Baugruppe Diodenkühler ist Teil einer bewegten Sensoreinheit in einer Laserschneidmaschine von Trumpf. Die Aufgabe der Baugruppe ist die Befestigung und Kühlung einer Diode sowie einer Elektronik. Die Lösung setzt sich aus zehn Bauteilen zusammen, welche aufwendig montiert werden müssen. Die Hauptkomponente bildet dabei ein Fräsbauteil mit einem gebohrten Kühlkanal. Aufgrund der auf die gesamte Sensoreinheit wirkenden Fliehkräfte, war es das Ziel des Entwicklers, die Baugruppe vor allem mit einem geringeren Gewicht herstellen zu können.

Zudem wurde Potenzial in einer konturnahen Kühlung gesehen, um die Lebensdauer der Diode zu erhöhen sowie eine elektronische Abschirmung zu integrieren. Mit diesen Anforderungen an das Bauteil wurde Potenzial für den Einsatz des LMF-Verfahrens als Herstellungsverfahren gesehen. Eine Evaluierung ergab, dass es durch die Gestaltungsfreiheit, welche sich durch das Verfahren ergibt, möglich ist, die Baugruppe leichter, einfacher montierbar und mit einer elektronischen Abschirmung, bei ähnlichen Herstellkosten, zu entwickeln. Voraussetzung dafür ist eine fertigungsgerechte Konstruktion für das LMF-Verfahren.

Baugruppe Diodenkühler mit montierter Diode und Schläuchen für Kühlwasser (links) sowie das Fräsbauteil als Rohteil.

Herausforderung & Lösungskonzept

Für die Entwicklung von Serienbauteilen, welche mittels des LMF-Verfahrens gefertigt werden, ist es notwendig, fertigungsgerecht zu konstruieren. Wie auch bei anderen Verfahren, z. B. Fräsen oder Gießen, gibt es auch bei LMF Verfahrensmerkmale, welche bei der Konstruktion berücksichtigt werden müssen, um ein optimales Bauteil unter den Gesichtspunkten Qualität, Kosten und Zeit zu entwickeln. Bei dem LMF-Verfahren ist es wichtig, die Funktionen des Bauteils zu analysieren und entsprechend diesen die Konstruktion aufzubauen. Mit der Methodik der funktionsorientierten Gestaltung wurde von Trumpf hierfür ein Konzept entwickelt.

Für das Bauteil Diodenkühler wurden daher im ersten Schritt die Funktionselemente separiert: Kühlkanal, Kontaktflächen, Fixierung Diode, Fixierung Schlauch, elektronische Abschirmung.

Im Anschluss wurden die Funktionselemente zu einer sogenannten Idealgestalt zusammengefasst. Mit diesem Ansatz ist ein Konzept für ein deutlich leichteres Bauteil mit weniger Montageaufwand entwickelt worden. Der Kühlkanal wird bei gleicher Länge deutlich kompakter und konturnaher dargestellt und verbessert die Kühlleistung. Eine Integration von Klemmelementen zur Aufnahme der Diode sowie der Bajonettverbindungen zur Fixierung der Schläuche macht es möglich, mehrere Funktionen in ein Bauteil zu integrieren. Durch das flexible Klemmelement verringert sich die Montagezeit gegenüber einer Verschraubung der Diode deutlich. Die elektronische Abschirmung wurde in Form eines Käfigs realisiert und ermöglicht eine freie Positionierung der Komponente innerhalb der Gesamtbaugruppe. Mit diesem LMF-Konzept konnte die Bauteilanzahl von zehn auf drei Bauteile reduziert und die Performance des Bauteils deutlich gesteigert werden.

Im nächsten Schritt wurden die Fertigungsrestriktionen im Hinblick auf die produzierbare Gestalt miteinbezogen.

Design

Nach der Konzeptentwicklung wurde das Bauteil in einem CAD-Programm umgesetzt. Weitere Programme, z. B. zur Topologieoptimierung, waren für dieses Bauteil nicht notwendig. Bei der Umsetzung im CAD war wichtig, die Fertigungsrestriktionen des LMF-Verfahrens zu berücksichtigen.

Das Wissen über die Technologie und verschiedene Verfahrensmerkmale, wie z. B. die Überhangbaubarkeit oder minimal erreichbare Wandstärken, sind dafür notwendig. Für die Herstellung eines wirtschaftlichen Bauteils wurde bereits bei der Konstruktion des Diodenkühlers darauf geachtet, dass keine Stützstrukturen notwendig sind und die Anforderungen, z. B. an Toleranzen, direkt aus dem Prozess eingehalten werden können. Bis auf das Strahlen der Oberflächen sind keine weiteren Nacharbeitsschritte notwendig.

Konzeptentwicklung der Idealgestalt des Diodenkühlers (links: Ausgangsgeometrie)

Schlauchfixierung durch Bajonettverbindung

Im Zuge der Konzepterstellung für den Diodenkühler ist eine AM-Schlauchfixierung entwickelt worden, um eine Nacharbeit der Schlauchanschlussstellen zu vermeiden. Die Anforderungen an die Verbindung wurde mit einem Betriebsdruck von acht bar angegeben. Der Prüfdruck für die Verbindung lag bei verschiedenen Tests zwischen 12 und 16 bar. Zudem sollte die Verbindung einfach zu montieren sein. In der Konzeptentwicklungsphase wurde aufgrund der hohen Druckanforderungen ein Design für ein Bajonett als AM-Schlauchverbindung entworfen. Das Bajonett klemmt den Schlauch durch Drehen der Bajonettmutter und eine Vertiefung in der Geometrie ermöglicht eine feste Arretierung durch Einrasten.

Für eine robuste und reproduzierbare Verbindung wurden mehrere Tests mit verschiedenen Geometrien und daraus resultierenden Klemmkräften auf den Schlauch durchgeführt. Für eine AM-Schlauchverbindung gibt es derzeit keine Norm, daher wurde eine ausführliche Standarddichtigkeitsprüfung mit verschiedenen Varianten durchgeführt. Diese umfasste einen Blasentest (bis zu 16 bar), einen Druckpulstest (zyklische Belastung von 2.000 Druckpulsen bei 12 bar), einen weiteren Blasentest und einen abschließenden Dauerlauf. Mehrere Varianten der Bajonettverbindung haben alle Tests erfolgreich bestanden.

Umsetzung in der Serienfertigung

Für die Fertigung der Bauteile wird das hochproduktive 3D-Drucksystem TruPrint 1000 von Trumpf verwendet. Diese hat einen Bauraum von Ø 100 x 100 mm und einen 200-W-Laser. Für die Herstellung der dünnen Wandstärken, z. B. im Bereich der elektrischen Abschirmung, ist der Strahldurchmesser des Lasers von 55 µm optimal. Die Maschine zeichnet sich durch ihre einfache Bedienung und hohe Prozessgeschwindigkeit aus. Als Material für die Bauteile wird ein Edelstahl verwendet, welcher im 3D-Druck-Bereich auch oft 316L genannt wird und sich durch eine hohe Festigkeit bei gleichzeitig hoher Bruchdehnung und guter Wärmeleitfähigkeit auszeichnet. Auf einer Bauplattform können sieben Diodenkühler mit 14 Bajonettanschlüssen gleichzeitig hergestellt werden. Mit der TruPrint 1000 werden die Bauteile mit 2.211 Schichten a 20 µm in ca. 21 Stunden gefertigt.

Tipp Zeichnungserstellung

Nach der Konstruktion des CAD-Modells wird eine fertigungsgerechte technische Zeichnung erstellt. Wenn auch die Datenverarbeitung entlang der Prozesskette weitgehend digital erfolgt, so müssen auf einer Zeichnung wichtige Angaben für eine wirtschaftliche Serienfertigung vorhanden sein. Auf der Zeichnung sollten z. B. Angaben zu Oberflächenqualitäten, erlaubten Toleranzen oder Nacharbeitsschritten vermerkt sein. Des Weiteren ist es wichtig die Aufbaurichtung zu markieren, um die gewünschte Bauteilqualität zu erhalten.

Mit der LMF-Technologie lassen sich wirtschaftlich Serienbauteile aus Metall herstellen. Die Technologie bietet dem Entwickler neue Möglichkeiten, Bauteile zu gestalten und zu entwickeln. Wichtig für eine wirtschaftliche Herstellung ist, bereits im Entwicklungsprozess die Verfahrensmerkmale zu berücksichtigen und die Konstruktion dementsprechend auszulegen. Das Know-how über die Technologie und die fertigungsgerechte Konstruktion ist der erste Schritt, um die Potenziale der Technologie im eigenen Unternehmen nutzen zu können.