Additiv tilvirkning av ekstruderingsverktøy med optimaliserte kjølekanaler

Abstract

For ekstrudering av aluminium er temperatur en viktig parameter. Høyere temperatur fører til redusert belastning på maskin og verktøy, samtidig som for høy temperatur fører til risiko for feil på produktet. Det er også slik at høyere ekstruderingshastighet gir høyere temperatur på den ekstruderte aluminiumen. For å øke den mulige ekstruderingshastigheten for hule profiler er det foreslått å benytte gasskjøling i verktøydelen som former profilens indre geometri, dortuppen. Kjølekanaler i dortuppen forutsetter indre geometrier som er vanskelig å få til ved hjelp av konvensjonelle produksjonsteknikker. Med additiv tilvirkning er det uproblematisk å lage slike geometrier. Denne rapporten tar for seg et arbeid som er gjort rundt additiv tilvirkning av dortupper. Det er gjort oppmålinger for sammenligning av geometri i CAD-modell og additivt bygd del. Målingene viser at horisontalt bygde kanaler blir både ovale og mindre enn modellen. Dette bør kompenseres for ved konstruksjon av CAD-modell. Målingene viser også store ujevnheter av kanalens overflate, spesielt den øvre overflaten. Det ble gjennomført forsøk for å finne data knyttet til strømningsmotstand gjennom additivt bygde kanaler. Målsetningen var å finne en ruhetsverdi som kunne brukes til beregning av strømningsmotstand for alle kanaldimensjoner. Forsøkene ble gjennomført med vann og trykkluft som fluid. Resultatene fra forsøkene viste stor variasjon, som knyttes til usikkerhet rundt kjølekanalens geometri. Det kunne ikke konkluderes med sikkerhet om ruhetsverdien var lik for alle rørene. Videre er det gjennomført en optimalisering av design av kjølekanaler. Optimaliseringen tar utgangspunkt i at det finnes begrensninger knyttet til verktøyets styrke, tilførsel av kjølegass og hvilke deler av verktøyet som kan kjøles. For optimaliseringen er det benyttet en modell for 1-dimensjonal kompressibel strømning og en 2-dimensjonal FEM-modell for styrke og varmeledning. Data fra testene ble benyttet som inngangsparametere i modellene. Det er kommet fram til 3 alternative designforslag, basert på noe ulike forutsetninger knyttet til hvilke deler av verktøyet som kan kjøles. Forventet kjøleeffekt for de ulike alternativene var vesentlig forskjellig. Det er gjennomført et forsøk med kjøling av 3 ulike additivt bygde dortupper. Under kjølingen ble det filmen med et IR-kamera. Analyser av data viser at det var en markant forskjell på kjølekapasiteten til de ulike designene. Data fra forsøkene er også sammenlignet med en modifisert versjon av modellene som ble brukt til optimalisering. Den modifiserte modellen viste forholdsvis godt samsvar med målingene.