B&J Specialty verhoogt productiesnelheid met 30% met metalen 3D-geprinte Conformally-Cooled spuitgietvorm

Grote temperatuurverschillen tijdens het koelproces bij het spuitgieten kunnen het risico op kromtrekken van onderdelen aanzienlijk vergroten. Bij tests van een conventioneel ontworpen en geproduceerde spuitgegoten auto-uitlaat kreeg men temperatuurverschillen van 132˚C gedurende het proces. B&J Specialty, Inc. heeft zijn klant geadviseerd om mallen te maken met conformale koeling om zo een gelijkmatiger koelproces te bereiken.

Om dit te bereiken vertrouwden de technici van B&J Specialty op de CAD/CAM-software van Cimatron om de mallen te ontwerpen en de interne koelkanalen parallel aan het oppervlak van het onderdeel vorm te geven. Om deze complexe interne conforme koelkanalen nauwkeurig aan te brengen, gebruikten ze voor de productie metaal additive manufacturing (AM) op een ProX DMP 300-printer.

Het nieuwe, conform gekoelde matrijselement verminderde de temperatuurvariatie tijdens het koelen tot 18˚C en verkortte de cyclustijd op de matrijs van een minuut tot 40 seconden, een totale productiviteitsverbetering van 30 procent.

Suboptimale koellijnen leiden tot hoge temperatuurschommelingen

Conformeel gekoelde mallen maken gebruik van moderne technologie om een eeuwenoud probleem op te lossen. Veel spuitgietonderdelen hebben gebogen oppervlakken, maar de boren die gebruikt worden om koelkanalen te maken, produceren alleen rechte lijnen. In de meeste gevallen betekent dit dat het onmogelijk is om de koellijnen af te stemmen op de geometrie van het onderdeel. Conventioneel geproduceerde rechte koellijnen moeten voorbij de buitenste delen van het onderdeel lopen om interferentie met de holte te voorkomen, wat betekent dat delen die dichterbij het midden van het onderdeel liggen meestal ver van de dichtstbijzijnde koellijn verwijderd zijn. Dit resulteert vaak in aanzienlijke temperatuurverschillen over het volume van het onderdeel aan het begin van het koelproces.

De automotive duct die B&J Specialty opnieuw ontwierp voor een efficiëntere koeling heeft meerdere onregelmatige en gebogen oppervlakken. In het oorspronkelijke matrijsontwerp boorde B&J rechte koellijnen door een naaf en een statorblok, die werden gebruikt om de geometrie van de matrijs aan te passen aan vervorming. Zoals vaak het geval is bij onregelmatige vormen, kwamen verschillende belangrijke kenmerken van het kanaal op afstand van de koellijnen te liggen door de beperking van de rechte kanalen. De resulterende temperatuurschommelingen genereerden diverse restspanningen die de neiging hadden het onderdeel te buigen tijdens het afkoelen. In het verleden werd dit probleem aangepakt door de koelcyclus te verlengen, zodat het onderdeel volledig gestold was voordat het uit de matrijs werd gehaald, en door de inzetstukken aan te passen aan de resterende kromming. Het probleem met deze aanpak was dat verlenging van de koelcyclus de productiviteit verminderde en de productiekosten verhoogde.

Bijwerken van de mal met conforme koelkanalen

Volgens Jarod Rauch, informatietechnologie- en 3D-printmanager bij B&J Specialty, bleek de automotive-koker een sterke kandidaat voor een aangepast conformeel koelontwerp, dat zou helpen om de kwaliteit van het eindproduct te verbeteren, uitval te verminderen en de koelcyclus te verkorten. B&J Specialty stelde deze oplossing voor aan zijn klant, een automobieltoeleverancier, die ermee instemde de nieuwe methode te testen. Met het CAD-bestand van de oorspronkelijke geometrie gingen de ingenieurs van B&J aan de slag met de matrijsontwerpsoftware Cimatron. "Cimatron is zowat een one-stop-shop software die ons volledige CAD-functionaliteit biedt voor het ontwerpen en ons de optie geeft om vanuit hetzelfde pakket direct door te rollen naar de bouwvoorbereiding."

Rauch zegt dat B&J Specialty Cimatron ontdekte tijdens zijn onderzoek naar metalen 3D-printers voor conforme koeltoepassingen. "We zagen dat Cimatron een complete end-to-end oplossing biedt, inclusief matrijsontwerpsoftware, build preparation software en 3D-printers, waardoor ik enthousiast werd over deze oplossing", zegt Rauch. "Cimatron richt zich niet alleen op de machine, maar ook op hoe ingenieurs ontwerpen voor additief."

In Cimatron verwijderden de B&J-ingenieurs de oorspronkelijke rechte koellijnen en vervingen ze door conforme lijnen die een consistente afstand tot het oppervlak van het onderdeel behielden. Dankzij de uiteindelijke matrijsproductie met metalen 3D-printing konden de ingenieurs complexe kanalen ontwerpen met verbeterde dwarsdoorsneden en raakvlakken. Deze kenmerken zorgen voor een turbulente stroming, waardoor de warmteoverdracht van de matrijs naar het koelmiddel nog groter wordt en er efficiënter gekoeld kan worden. De mogelijkheid om spuitgietproducten efficiÃ"nter te koelen, draagt ook bij tot de kwaliteit van de spuitgietproducten doordat defecten zoals kromtrekken en verzakkingen minder voorkomen. Een directe weg naar onderdelen van hogere kwaliteit bespaart tijd en geld voor zowel de gereedschapsbouwer als de matrijsexploitant doordat het aantal correcties, proeven en monsternemingen dat nodig is om het gewenste resultaat te bereiken, wordt beperkt.

Verwachtingen stellen met nauwkeurige simulatie

De ingenieurs van B&J exporteerden vervolgens het matrijsbestand van Cimatron naar de Moldex3D spuitgietsimulatiesoftware voor een geïntegreerde koelsimulatie. "De integratie tussen Cimatron en Moldex3D maakt het eenvoudig om de volledige spuitgietcyclus te simuleren, de temperaturen van de matrijs en het onderdeel in kaart te brengen om warme en koude plekken te identificeren en het effect van verschillende koeltijden te simuleren", aldus Rauch. De simulatie helpt ook om gebieden te markeren waar het herontwerp de algemene koelstrategie kan verbeteren voordat ze een investering doen in een fysiek onderdeel. Vergelijkende simulaties tussen het oorspronkelijke matrijsontwerp en het nieuwe ontwerp met conforme koellijnen toonden een drastische verbetering van de temperatuurverdeling voor het nieuwe onderdeel, waarbij de temperatuurvariatie met 86 procent werd verminderd.

3D Printing Mold Inserts met Conformal Cooling Lines

De ingenieurs van B&J gebruikten vervolgens 3DXpert metal AM software om de matrijsinzetstukken klaar te maken voor productie. Ze importeerden de onderdeelgegevens, optimaliseerden de geometrie, berekenden het scanpad, regelden het bouwplatform en stuurden de opdracht rechtstreeks vanuit de 3DXpert-software naar hun eigen ProX DMP 300 metalen 3D-printer.

De ProX DMP 300 stuurt een uiterst precieze laser om metaalpoederdeeltjes selectief op te bouwen in dunne, horizontale lagen, de een na de ander met LaserForm materiaal. Voor deze gietvorm voor autobuizen gebruikte B&J Specialty materiaal van maragingstaal. "De ProX DMP 300 is ideaal voor het produceren van conforme koellijnen vanwege de buitengewone nauwkeurigheid", aldus Rauch. "We kunnen toleranties van drie- of vierduizendsten van een inch aanhouden." De gepatenteerde DMP-technologie (Direct Metal Printing) van Cimatron maakt kleinere materiaaldeeltjes mogelijk om de fijnste details en de dunste wanddiktes te genereren. Een oppervlaktekwaliteit tot 5 Ra μm (200 Ra micro-inches) is haalbaar en vereist minder nabewerking.

Aanzienlijke productiviteitswinst

Na het 3D-printen scande B&J Specialty de inzetstukken in de Geomagic Control X inspectie- en metrologiesoftware met behulp van een 3D-scanner met blauwe laserlijnen en legde de mesh op de ontwerpgeometrie om de metalen 3D-geprinte vorminzetstukken te valideren. De inzetstukken werden verzonden naar de automobieltoeleverancier die ze op zijn spuitgietmachine installeerde. "Benchmarktests toonden aan dat de gelijkmatigere koeling door de conforme lijnen het mogelijk maakte de cyclustijd te verkorten en de productiviteitsdoorvoer met 30 procent te verhogen", aldus Rauch. "We verwachten ook dat de levensduur van de matrijs aanzienlijk langer zal zijn, aangezien de kortere cyclustijd dankzij de conforme koeling het mogelijk maakt de injectiedruk te verlagen, wat op zijn beurt de slijtage van de deellijn en de ingewikkelde details van de matrijs vermindert."