Herstellung von belüfteten Kühlkörpern aus Stahl

Ein Kühlkörper ist eine Komponente, die zum Wärmemanagement eingesetzt wird. Er verhindert, dass wärmeerzeugende Komponenten einer Maschine überhitzen. Hochleistungsfähige Kühlkörper können aus Kupfer, Aluminium und Stahl hergestellt werden.

Bei der Bearbeitung von belüfteten Stahlkühlkörpern wird das Stahlblech perforiert, um einen Luftstrom durch das Metall zu ermöglichen und so die Wärmeübertragung durch Konvektion zu verbessern. Edelstahlkühlkörper werden vor allem in anspruchsvollen Umgebungen eingesetzt, darunter:

• Umgebungen mit hohen Temperaturen – Edelstahl verträgt höhere Temperaturen besser als Aluminium, ohne dass dabei die strukturelle Integrität beeinträchtigt wird.
• Umgebungen mit korrosiven Stoffen – Wenn Chemikalien oder Feuchtigkeit in einer Umgebung Aluminium beschädigen können, kann Edelstahl als Alternative verwendet werden.
• Industrielle Leistungselektronik – Kühlkörper aus Edelstahl kommen in Hochleistungsanwendungen wie DC-DC-Bausteinen, Motorsteuerungen und Elektroschweißgeräten zum Einsatz, die im Betrieb hohe Temperaturen entwickeln.
• Strukturelle Rolle – Ein Kühlkörper aus Edelstahl kann sowohl der Kühlung dienen als auch als strukturelles Bauteil des Gehäuses fungieren.

Anforderungen des Kunden

Ein Hersteller von Kühlkörpern wandte sich an First Mold, um eine schnelle Prototypenentwicklung für Kühlkörper in Auftrag zu geben. Der Kunde stellte klar, dass das Material für das Projekt Stahl sei, da dieser neben der Kühlung auch eine tragende Funktion übernehmen solle.

Bei der ersten Besprechung zur Durchsicht des Projektentwurfs erklärte der Kunde, dass die Toleranz beim Prototypenbau des Kühlkörpers höchstens 0,01 mm betragen dürfe. Seinen Angaben zufolge handelte es sich bei dem Projekt um eine Hochleistungsanwendung.

“Die hohe Toleranz ist für einen maximalen thermischen Wirkungsgrad, eine gleichbleibende Leistung über alle Chargen hinweg und eine zuverlässige strukturelle Befestigung erforderlich”, erklärte der Kunde.

Im Anschluss an die Gespräche führte Bowen Huang, Projektmanager bei First Mold, den Kunden durch das Werk, um ihm einige der hochmodernen Maschinen zu präsentieren und ihn davon zu überzeugen, dass First Mold in der Lage ist, das Projekt erfolgreich umzusetzen.

“Wir verfügen über einige der modernsten 5-Achsen-CNC-Maschinen der Branche für das Rapid Prototyping”, sagte Huang. “Unser Ingenieurteam verfügt über insgesamt mehr als hundert Jahre Erfahrung in der CNC-Bearbeitung. Es ist uns immer eine Freude, Projekte anzunehmen, bei denen wir unseren Erfahrungsschatz unter Beweis stellen können.”

Herausforderungen und Lösungen

Die Bearbeitung von Kühlkörpern aus Stahl birgt besondere Herausforderungen, vor allem aufgrund der Materialeigenschaften. Stahl weist eine geringe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe Kaltverfestigung auf, was die Bearbeitung erschwert. Zu den wichtigsten Herausforderungen bei der Herstellung von Kühlkörpern aus Stahl zählen:

• Übermäßiger Werkzeugverschleiß: Stahl ist abrasiv und hart, was den Werkzeugverschleiß beschleunigt. Übermäßiger Werkzeugverschleiß führt zu höheren Werkzeugkosten und längeren Stillstandszeiten zwischen den Werkzeugwechseln. Dies kann die Bearbeitungszeit verlängern.
• Vibrationen können die strukturelle Stabilität beeinträchtigen: Die hohe Schnittkraft kann zu Vibrationen führen, die wiederum eine Verformung dünner, empfindlicher Strukturen und eine schlechte Oberflächengüte zur Folge haben können.
• Verziehen durch hohe thermische Belastung: Stahl speichert die Wärme beim Schneiden, anstatt sie abzuleiten. Wird er nicht ausreichend gekühlt, kann diese Wärmestauung zu einer Verformung des Werkstücks führen.
• Schwierigkeiten beim Chip-Management: Bei der Stahlbearbeitung fallen erhebliche Mengen an heißen Spänen an. Werden diese nicht ordnungsgemäß kontrolliert, können sie die Werkzeuge beschädigen und zu einer schlechten Oberflächengüte führen.

Um die Bearbeitung von Stahlkühlkörpern erfolgreich zu gestalten, mussten die Ingenieure von First Mold Wege finden, diese besonderen Herausforderungen zu meistern.

Überwindung der Arbeitshärtung und der geringen Wärmeleitfähigkeit von Stahl

Die hohe Zähigkeit und Festigkeit von Stahl erfordern bei der Bearbeitung eine erhöhte Schnittkraft. Eine Erhöhung der Schnittkraft kann jedoch zu Vibrationen führen. Abgesehen von Vibrationen kann sich die Oberfläche während des Schneidvorgangs schnell verhärten, was nachfolgende Schnitte erschwert. Dies kann zu einem schnelleren Verschleiß des Schneidwerkzeugs führen.

Die geringe Wärmeleitfähigkeit von Stahl hat zudem zur Folge, dass bei der Herstellung von Kühlkörpern mittels CNC-Bearbeitung die an der Schnittfläche entstehende Wärme nicht abgeleitet oder durch die Späne abtransportiert wird. Sie konzentriert sich stattdessen an der Spitze des Schneidwerkzeugs, was dessen Verschleiß und Ausfall beschleunigt.

Die von First Mold eingesetzte 5-Achsen-CNC-Maschine ist speziell mit vier Düsen-Kühlmittelsystemen ausgestattet, die Kühlmittel unter hohem Druck (über 1.000 psi) auf die Schnittfläche spritzen. Diese Kühlmittelsysteme leiten nicht nur die von der Schneidspitze erzeugte Wärme effektiv ab, sondern zerkleinern und entfernen auch Späne, um eine Verformung der Oberfläche des Kühlkörper-Prototyps zu verhindern.

Bearbeitung der Oberfläche eines Prototyps eines gekrümmten Stahlkühlkörpers

Die Konstruktionszeichnung des Kunden für einen gekrümmten Kühlkörper stellte eine besondere Herausforderung bei der Bearbeitung dar. Flache Oberflächen ermöglichen einfache Werkzeugwege, während eine gekrümmte Oberfläche spezielle Werkzeugwege erfordert. Zu den wichtigsten Herausforderungen bei der Bearbeitung von gekrümmtem Stahl gehören:

• Komplexe CAM-Programmierung: Die Herstellung von Kühlkörpern aus gebogenem Stahl erfordert den Einsatz hochentwickelter Software zur Steuerung der Werkzeugausrichtung und der Vorschubgeschwindigkeiten entlang wechselnder Konturen.
• Der Bedarf an einer mehrachsigen Maschine: Gekrümmte Oberflächen erfordern komplexe, mehrstufige Bearbeitungsvorgänge mit präzisen Endbearbeitungsdurchgängen. Die 5-Achsen-CNC-Maschine von First Mold trägt dazu bei, das ständige manuelle Neupositionieren des Werkstücks zu vermeiden, das zu Fehlern führen kann.

Das Ingenieurteam von First Mold setzte das Trochoidfräsen ein, ein Verfahren, bei dem die Hochgeschwindigkeits-CNC-Maschine eine kreisförmige, spiralförmige Werkzeugbahn verwendet, um Nuten zu fräsen. Durch die Aufrechterhaltung des radialen Eingriffs und einer hohen axialen Tiefe reduziert diese Bewegung die Schnittkräfte, die Wärmeentwicklung und die Vibrationen. Dies ermöglicht einen schnelleren Materialabtrag und eine längere Standzeit der Werkzeuge. Diese Technik trägt zudem dazu bei, die Prototypenentwicklungszeit für Kühlkörper zu verkürzen.

Optimierung der Bearbeitungseffizienz von Kühlkörpern

Die Kombination aus hoher Werkstoffzähigkeit, niedriger Drehzahl und Spezialwerkzeugen macht die Bearbeitung von Stahl langsam und zeitaufwendig.

Um diese Mängel zu beheben, hat das Ingenieurteam von First Mold die Prinzipien des „Design for Manufacturability“ (DFM) umgesetzt. So haben wir beispielsweise beschichtete Werkzeuge mit hoher Hitzebeständigkeit und positiven Spanwinkeln eingesetzt, um die Schnittkräfte zu reduzieren.

Die Lamellendicke wurde geringfügig erhöht, und die Lamellentiefe wurde begrenzt, um die Steifigkeit während der Bearbeitung zu verbessern. Zudem setzte das Team bei der CAM-Programmierung spezielle Werkzeugwege ein und verwendete hochsteife Maschinen, um Vibrationen und Verformungen zu minimieren.

Die Bedeutung der Einhaltung einer Toleranz von 0,01 mm beim Projekt zur Herstellung von Kühlkörpern

Bei der Bearbeitung des Kühlkörpers legten die Ingenieure von First Mold besonderes Augenmerk auf die CAM-Programmierung, um die geforderte Toleranz von 0,01 mm einzuhalten. Das Erreichen der gewünschten Toleranz war aus mehreren Gründen von entscheidender Bedeutung, darunter:

• Präzisionsmontage: Durch die richtige Präzision wird eine perfekte Ausrichtung zwischen den Schrauben und den Bohrungen an den Befestigungsflächen gewährleistet. Dadurch werden strukturelle Belastungen der Bauteile vermieden.
• Verbesserung der strukturellen Integrität: Dank einer Toleranz von 0,01 mm kann der Kühlkörper-Prototyp auch als strukturelle Stütze dienen. Aufgrund der Festigkeit von Stahl kann er in Umgebungen mit hohem Druck, hohen Temperaturen und starken Vibrationen eingesetzt werden, ohne dass die thermische Leistung beeinträchtigt wird.
• Gleichbleibende Leistung über alle Chargen hinweg: Bei der Massenfertigung von Kühlkörpern gewährleistet die Einhaltung einer Toleranz von 0,01 mm, dass jedes Produkt die gleiche Leistung erbringt. Dies ist für Spezialbranchen wie die medizinische Bildgebung und die Luft- und Raumfahrt von entscheidender Bedeutung.

Was der Kunde mit den Lösungen von First Mold gewonnen hat

Der aus Stahl gefertigte Prototyp des Kühlkörpers wurde eine Woche früher als geplant geliefert, was der Kunde sehr zu schätzen wusste. Durch den Einsatz einer innovativen Bearbeitungstechnik gelang es First Mold, den Prototyp zu einem günstigeren Preis zu fertigen als in den Angeboten anderer Zerspanungsbetriebe, mit denen der Kunde zuvor Gespräche geführt hatte.

“Aufgrund unserer bisherigen Erfahrungen hatten wir unsere Erwartungen hinsichtlich des Zeitplans eher moderat gehalten”, sagte der Kunde, nachdem er die Übereinstimmung des Kühlkörper-Prototyps mit der Konstruktionszeichnung überprüft hatte. “Wir hatten nicht damit gerechnet, den Prototyp schon in einer Woche zu erhalten.”.

Durch die Partnerschaft mit First Mold sicherte sich der Kunde einen zuverlässigen Lieferanten, der ihm bei Bedarf dabei helfen wird, seine Kapazitäten bedarfsgerecht zu erweitern. “Wir sind stets bestrebt, den Erfolg und die Zufriedenheit unserer Kunden an erste Stelle zu setzen”, sagte Huang.  

FAQ

Dieser Kunde unterstützte unsere Werbemaßnahmen so sehr, dass er uns vorschlug, ein Video des CNC-Fräsvorgangs des Werkstücks zu zeigen.