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CoreFlow™: Neue Materialbearbeitung unter der Oberfläche

Einführung

TWI hat vor kurzem eine höchst disruptive Technologie mit der Bezeichnung CoreFlow™ erfunden, die Werkstücke ohne sie aufzuschmelzen unter der Oberfläche bearbeiten kann. CoreFlow™ ist eine Weiterentwicklung des Rührreibschweißens (Friction Stir Welding, FSW) und des Rührreibkanalisierens (Friction Stir Channelling, FSC), die es in einem einzigen Fertigungsschritt ermöglicht, unter der Oberfläche liegende Kanäle von Kühlkreisläufen in zwei- oder dreidimensionale monolithische Teile zu integrieren. Diese Kanäle können für Wärmeaustauscher oder andere Produkte genutzt werden.

Abbildung 1 zeigt einen Kühlplatten-Demonstrator, der vor kurzem aus Aluminium (AA6082-T6) hergestellt wurde, sowie Infrarot-Wärmebilder, die die den Effekt der Zirkulation von flüssigem Kühlmittel belegen.

CoreFlow – Eine neue Technologie zur Bearbeitung unter der Oberfläche von TWI (CGI-Video)

Geschichte und Entwicklung von CoreFlow™

Material zusammenzupressen, so dass der Materialfluss des durch den Pin verdrängten Materials begrenzt wird. Bei geeigneter Drehrichtung bewirken die geometrischen Eigenschaften des Pins, dass ein Teil des Nuggetmaterials in die Schulter befördert wird. Das entnommene Material wird dann in eine Reihe von Öffnungen in der Schulter umgelenkt und herausgepresst.

Während die Werkzeugbaugruppe entlang eines vordefinierten Pfades verfährt, führt der Prozess des Herausziehens des Materials sowohl zur Bildung eines geschlossenen Kanals innerhalb des Werkstücks als auch zur Herstellung von extrudiertem Draht. Prozessparameter und Werkzeugkonstruktionen werden so kombiniert, dass das Verhältnis von Materialverdrängung pro Entfernungseinheit begrenzt ist, um eine vollständig konsolidierte Kanaldecke aufrechtzuerhalten.

Abbildung 5 zeigt die vier Hauptstufen des Prozesses. Der Zyklus wird durch Eintauchen der rotierenden Sonde in die Platte eingeleitet (Abbildung 5b). Sobald die Sonde ihre Soll-Eintauchtiefe erreicht hat, beginnt die Maschine mit der Verfahrbewegung (Abbildung 5c). Während das Werkzeug auf das Werkstück gepresst wird und verfährt, wird das plastifizierte Material von dem gewindeartig profilierten rotierenden Stift nach oben gegen die Schulter gepresst und dann zum Teil als extrudiertes Material ausgestoßen (Abbildung 5d). Diese Materialsubtraktion führt zur Bildung eines geschlossenen, unter der Oberfläche verlaufenden Kanals oder Tunnels.

Es ist bemerkenswert, dass das aus der Platte extrudierte Material in Form von Draht (siehe Abbildung 6) als Ausgangsmaterial für andere Prozesse, wie die drahtbasierte Additive Fertigung oder einfach als Schweißdraht verwendet werden kann. CoreFlow™ ist in der Tat in der Lage, eine unbegrenzte Länge von Draht aus einer Platte oder einem Rohr zu extrudieren.

Dieses Verfahren mit der Bezeichnung ForgeWire ist von großem Interesse für die Herstellung von Drahtspulen aus Materialien mit schlechter Extrudierbarkeit, wie z.B. Aluminium- oder Magnesiumlegierungen. Drahthersteller oder Entwickler von additiven Herstellungsverfahren haben jetzt die Möglichkeit, Draht schnell mit einer maßgeschneiderten chemischen Zusammensetzung und aus experimentellen Legierungsformulierungen (z.B. Aluminium-Lithium oder Aluminium-Scandium) herzustellen, möglicherweise sogar direkt aus Walzprodukten oder Gussbolzen.

TWI demonstrierte erfolgreich die Extrusion von AA1050-H14, AA6082-T6 und AA6082-T6 in Durchmessern von 3 und 6 mm.

Abbildung 1. Mit CoreFlow™ hergestellter Plattenkühler und Infrarot-Wärmebild eines flüssigen Kühlmittels, das durch den aufgeheizten Demonstrator zirkuliert
Abbildung 1. Mit CoreFlow™ hergestellter Plattenkühler und Infrarot-Wärmebild eines flüssigen Kühlmittels, das durch den aufgeheizten Demonstrator zirkuliert
Abbildung 2. Rührreibschweißen: FSW-Verfahrensschema
Abbildung 2. Rührreibschweißen: FSW-Verfahrensschema
Abbildung 3. Rührreibkanalisieren: FSC-Verfahrensschema
Abbildung 3. Rührreibkanalisieren: FSC-Verfahrensschema
Abbildung 4. CoreFlow™: Werkzeugbeschreibung und Hauptprozessparameter
Abbildung 4. CoreFlow™: Werkzeugbeschreibung und Hauptprozessparameter
Abbildung 5. Hauptphasen von CoreFlow™: (a) Beginn der Werkzeugspindel-Drehung; (b) Eintauchen in das Werkstück; (c) Schulter berührt das Werkstück; (d) Bildung eines Kanals unter der Oberfläche durch das Verfahren des sich drehenden Werkzeugs
Abbildung 5. Hauptphasen von CoreFlow™: (a) Beginn der Werkzeugspindel-Drehung; (b) Eintauchen in das Werkstück; (c) Schulter berührt das Werkstück; (d) Bildung eines Kanals unter der Oberfläche durch das Verfahren des sich drehenden Werkzeugs
Abbildung 6. Drahtspule als Nebenprodukt von CoreFlow mit Quer- und Längsschnitten des Drahts
Abbildung 6. Drahtspule als Nebenprodukt von CoreFlow mit Quer- und Längsschnitten des Drahts

Demonstratorteile und Kanalquerschnitt

In den letzten Jahren wurde das CoreFlow™-Konzept vom TWI demonstriert und weiterentwickelt. Mit ihm wurden erfolgreich Aluminiumplatten aus AA6082-T6 und AA1050-H14 mit Dicken von 5 bis 50 mm bearbeitet. Darüber hinaus wurden erfolgreich flache und rohrförmige Demonstratoren (siehe Abbildung 9) hergestellt, die Kanäle entlang linearer, gekrümmter und schraubenförmiger Bahnen aufweisen. Die Demonstratoren bestanden sowohl die Leck- als auch die Druckprüfung mit Leckraten von deutlich unter 10-8 mbar∙ℓ/s und einem Druck von bis zu 9 bar.

Die Geometrie des Kanalquerschnitts variiert von rechteckig bis dreieckig, abhängig von den verwendeten Parametern. Alle Kanäle weisen eine flache Bodenfläche mit gut definierten Kanten auf, die mit dem Stiftumriss zusammenfallen, wie in Abbildung 7 dargestellt wird. Auf dem Schliffbild lässt sich erkennen, wie sich die anisotrope Kornorientierung im Grundwerkstoff, die durch das Walzen der Blechprobe verursacht wird, durch die Rührwirkung des Stifts im viskoplastischen Material in der Kanaldecke in eine vollständig rekristallisierte Mikrostruktur umwandelt.

 

Anwendungs- und Einsatzfälle von CoreFlow™

CoreFlow™ kann bereits für revolutionäre Anwendungsfälle bei der Herstellung von Wärmetauschern und Kühlsystemen sowie zur Gewichtseinsparung im Leichtbau eingesetzt werden. Wärmetauscher sind überall zu finden: nicht nur im Fahrzeugbau von Autos und Lastwagen über Lokomotiven und Schiffe zu Flugzeugen und Satelliten sowie sondern auch in der Telekommunikation, Hochleistungselektronik und Energietechnik.

Auf dem Markt für Elektrofahrzeuge besteht zum Beispiel ein zunehmender Bedarf an schnelleren Batterieladevorgängen, höherer Geschwindigkeit und Reichweite, höherer Leistungsdichte unter gleichzeitiger Berücksichtigung der Zielsetzung, Elektrofahrzeuge für die Öffentlichkeit erschwinglich zu machen. Diese Erwartungen führen zu einer erhöhten Wärmeerzeugung und treiben eine kollektive Nachfrage nach kostengünstigen, kompakten, leichten und effizienten Lösungen für die Wärmeübertragung an.

Akkupacks geben beim Laden und Fahren aufgrund des elektrischen Widerstands Wärme ab. Dies wird bei Lade- und Entladevorgängen mit höherer Intensität (z.B. Schnellladung oder Lastenspitzen während des Betriebs) noch verschärft. Gegenwärtig sind im Inneren des Batteriekastens Serpentinenrohr-Wärmetauscher eingebaut, um übermäßige Temperaturen zu verhindern, die zu einer chemischen Zersetzung der Zellen oder zu einem vorzeitigen Altern der Batterie führen könnten. Diese Systeme nehmen jedoch Platz in Anspruch und erhöhen das Gewicht und die Fertigungskomplexität des Fahrzeugs. Daher stellt CoreFlow eine große Chance dar, diese Herausforderungen durch die Herstellung von Batterieträgern mit integrierten Kühlkanälen, die in die Metallstruktur eingebaut sind, zu lösen.

Ein weiteres interessantes Beispiel ist das Wärmemanagement von Elektromotoren. Diese Komponenten erwärmen sich hauptsächlich aufgrund des spezifischen Widerstandes der Kupferwicklungen und der Wirbelstromverluste. Die überschüssige Wärme ist der Motorleistung abträglich und kann zu dauerhaften physischen Schäden führen. Kühlsysteme werden normalerweise in das Gehäuse eingebaut und basieren auf natürlicher oder erzwungener Konvektion von Luft, Flüssigkeit oder beidem. CoreFlow™ kann verwendet werden, um Kanäle in dünnwandige Motorgehäuse zur aktiven Kühlung einzubauen, wodurch das Gesamtgewicht und die Komplexität reduziert und die Leistung des Motors erhöht werden kann.

Die Luft- und Raumfahrt ist ein weiterer Industriezweig, in dem Wärmemanagement-Lösungen mit Hilfe des CoreFlow™ Prozesses implementiert werden kann. Die Kühlung von Flugzeugtriebwerken zum Beispiel erfolgt in der Regel durch Wärmetauscher, die zwischen Triebwerk und der Treibwerksgondel angeordnet sind und das Motoröl mit Luft oder Kraftstoff kühlen. Diese Komponenten unterbrechen jedoch den Luftstrom, wodurch ein höherer Luftwiderstand entsteht und die Schubleistung abnimmt. Mit CoreFlow™ können Kühlkreisläufe direkt in die Triebwerksgondeln eingebaut werden. Das Gleiche gilt für hydraulische Kühlsysteme, die in der Regel unter der Flügeloberfläche installiert sind und durch integrierte Verteiler, die mit CoreFlow™ hergestellt werden, anstelle von Schläuchen, Rohren und Armaturen eingesetzt werden können.

Die von CoreFlow™ hergestellten Kanäle könnten auch für Vereisungsschutzsysteme oder für die Einbettung von Instrumenten in metallische Oberflächen oder für die Reduzierung der Wärmesignatur des Flugzeugs verwendet werden.

Gegenwärtig ist FSW eine der vielversprechendsten Technologien zur Herstellung von Wärmetauschern. Deren immer komplexer werdende Geometrie zwingt die Ingenieure derzeit dazu, die Produktion in zwei Stufen aufzuteilen (siehe Abbildung 8). Typischerweise wird in der ersten Stufe ein Gehäuse aus einem massiven Metallblock (in der Regel Aluminium oder Kupfer) gegossen, extrudiert oder maschinell bearbeitet, das Kühlungsmerkmale und Kanäle enthält, um die Kühlflüssigkeit durch das Teil zirkulieren zu lassen. In der zweiten Stufe wird ein Deckel zusammengefügt und reibgeschweißt, um die Kühlkanäle von der Umgebung zu isolieren und das Bauteil abzudichten. FSW hat sich zur effektivsten Wahl für die Durchführung der zweiten Stufe dieses Fertigungsprozesses entwickelt.

CoreFlow™ hat diese Herausforderungen gemeistert, indem die mäanderartige Kühlkanäle in dem Teil in einem einzigen Schritt bearbeitet wurden. Spiralförmige Kühlkreisläufe können erfolgreich in Aluminiumrohre oder -gehäuse integriert werden, um eine Wärmemanagement-Funktionalität zu schaffen. Durch die Schaffung eines Kanals unter der Oberfläche einer Struktur bietet CoreFlow™ eine integrierte Methode zur Ableitung von Wärme aus einem Teil, ohne dass zusätzliche Verrohrungen oder andere komplexe und kostspielige Lösungen hinzugefügt werden müssen.

Dies führt nicht nur zu einem einfacheren Verfahren, sondern auch zu einer effizienteren und umweltfreundlicheren Herstellungsmethode, die etwa 20 % weniger Rohmaterial verbraucht, fast 80 % weniger Abfall (in Form von Draht) erzeugt und daher weniger wiegt als ihr konventionelles Pendant (siehe Abbildung 8).

Diese neue Technik ermöglicht nicht nur eine Wärmereduzierung, sondern kann auch für die Herstellung von Vereisungsschutzeinrichtungen an den Tragflächen und dem Leitwerk von Flugzeugen eingesetzt werden. Darüber hinaus lassen sich damit laminare Strömungen erzeugen. Die Technik kann auch zur Schaffung von Schmiermittel- oder Hydraulikleitungsnetzen, zur Einbettung von Instrumenten in eine Struktur, zur Kabelführung oder einfach zur zusätzlichen Gewichtsreduzierung eingesetzt werden. Außerhalb des Transportbereichs kann CoreFlow™ zur Kühlung von Datenservern, Kommunikationsinfrastrukturen und Radaranlagen oder zur Bewältigung der thermischen Belastung in Fertigungsanlagen, beispielsweise in der Halbleiter- oder Bildschirmindustrie, eingesetzt werden.

TWI setzt die Entwicklung von CoreFlow™ fort, indem es Richtlinien für die Verwendung mit verschiedenen Werkstückmaterialien definiert und gleichzeitig an einer Reihe von industrierelevanten Technologie-Demonstratoren arbeitet.

Da bereits eine Vielzahl von Anwendungen für CoreFlow™ vorgeschlagen wurde, kann diese neue Variante des Rührreibschweißens kurzfristig in den meisten Industriesektoren wie der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, der Elektronik und der Sensorik eingesetzt werden.

 

Wenn Sie an weiteren Informationen zu CoreFlow™ oder anderen am TWI entwickelten Verfahren interessiert sind, senden Sie bitte eine englischsprachige E-Mail an:

kontakt@twi-deutschland.com

Abbildung 7. Schliffbild eines mit CoreFlow™ bearbeiteten Kanalquerschnitts.
Abbildung 7. Schliffbild eines mit CoreFlow™ bearbeiteten Kanalquerschnitts.
Abbildung 8. Vergleich der derzeitigen Herstellungspraxis gegenüber CoreFlow™ für planare Wärmetauscher
Abbildung 8. Vergleich der derzeitigen Herstellungspraxis gegenüber CoreFlow™ für planare Wärmetauscher
Abbildung 9. Rohrförmige Demonstratoren
Abbildung 9. Rohrförmige Demonstratoren
Avatar João Gandra - DE Hauptprojektleiter – Reib- und Stauchschweißprozesse

Dr. João Gandra hat sich auf Reibschweißverfahren, einschließlich Rührreibschweißen, spezialisiert. Seine derzeitige Aufgabe besteht darin, industrielle Mitglieder des TWI zu unterstützen, die diese Technologien zur Herstellung neuer oder bestehender Produkte einsetzen wollen. Er fungiert als Berater bei Produktentwicklung, Design-for-Manufacturing, Prototyping, Technologietransfer und kontinuierlicher Verbesserung. Die meisten seiner Erfahrungen hat er in den Bereichen Luft- und Raumfahrt, Eisenbahn und Automobilbau gesammelt. Bevor João Gandra zum TWI kam, promovierte er in Fertigungs- und Industriemanagement an der Technischen Universität Lissabon, wo er auch als Teilzeit-Dozent und Forscher tätig war. Er hat über 20 von Fachkollegen begutachtete Publikationen und Konferenzbeiträge veröffentlicht und aktiv in internationalen Normenausschüssen wie der ISO 25239 für das Rührreibschweißen mitgewirkt.