Desky tepelného rozhraní pro elektromobily prostřednictvím vysoce vodivých slitin

Úvod: Kritická úloha tepelných rozhraní pro výkon elektromobilů

Celosvětový přechod na udržitelnou dopravu se zrychluje nebývalým tempem a v čele této revoluce stojí elektromobily. S tím, jak spotřebitelé a provozovatelé vozových parků přijímají elektrifikaci, se zvyšují nároky na technologii elektromobilů. Dosažení delšího dojezdu, rychlejšího nabíjení, vyšší bezpečnosti a delší životnosti baterií již nejsou aspirační cíle, ale základní požadavky pro úspěch na trhu. Pro splnění těchto požadavků je klíčové zvládnutí základní technické výzvy: tepelné řízení.

Elektromobily ze své podstaty pracují s vysokou hustotou výkonu. Klíčové součásti, jako jsou akumulátory, elektromotor, výkonová elektronika (měniče, konvertory, palubní nabíječky) a dokonce i nabíjecí systémy, generují během provozu značné množství tepla. Na rozdíl od vozidel se spalovacími motory, která snadno odvádějí teplo výfukovými plyny, musí elektromobily účinně odvádět tepelnou energii prostřednictvím speciálních chladicích systémů. Pokud není toto teplo efektivně řízeno, může to vést ke kaskádě negativních důsledků: snížení účinnosti součástí, zrychlené degradaci bateriových článků, snížení výkonu (derating), ohrožení bezpečnosti (riziko tepelného úniku) a v konečném důsledku ke zkrácení životnosti vozidla a snížení uživatelského komfortu.

Toto je místo Desky tepelného rozhraní (TIP) hrají nezastupitelnou, i když často neviditelnou roli. Deska tepelného rozhraní je specializovaná součástka navržená tak, aby usnadňovala účinný přenos tepla mezi zdrojem tepla (jako je modul baterie nebo výkonový modul měniče) a součástí chladicího systému (jako je kapalinou chlazená chladicí deska nebo chladič). Jeho hlavní funkcí je minimalizovat tepelný odpor na rozhraní a zajistit, aby teplo mohlo co nejrychleji a nejefektivněji odtékat od kritických součástí. Představte si jej jako klíčový tepelný most, který odvádí teplo z citlivých oblastí a udržuje tak optimální provozní teploty.

Účinnost TIP výrazně závisí na materiálu, ze kterého je vyroben, a na jeho geometrickém provedení. Tradiční materiály a výrobní metody se často potýkají s rostoucími tepelnými výzvami, které představují elektromobily nové generace. To vyžaduje zkoumání vysoce vodivé slitiny, materiály speciálně vybrané pro svou výjimečnou schopnost vést teplo. Kovy, jako jsou slitiny mědi (například slitina mědi, chromu a zirkonu, CuCrZr) a specifické slitiny hliníku (například AlSi10Mg), nabízejí ve srovnání s běžnými možnostmi vynikající tepelné vlastnosti.

Pouhá volba vysoce vodivého materiálu však nestačí. Na stránkách design tIP je stejně důležitý. Schopnost vytvářet složité tvary, které se dokonale přizpůsobí povrchu součástek, obsahují složité vnitřní chladicí kanály nebo maximalizují plochu pro výměnu tepla, může výrazně zvýšit tepelný výkon. Zde je třeba výroba aditiv kovů (AM), běžně známý jako kov 3D tisk, se stává transformativní technologií. AM osvobozuje konstruktéry od omezení tradičních výrobních procesů, jako je odlévání nebo obrábění, a umožňuje vytvářet vysoce optimalizované, komplexní a účinné komponenty tepelného managementu, jejichž výroba byla dříve nemožná nebo neúměrně nákladná.

Jako přední poskytovatel komplexních řešení aditivní výroby, Met3dp si uvědomuje zásadní potřebu pokročilého tepelného managementu v odvětví elektromobilů. Společnost Met3dp, která se specializuje na nejmodernější zařízení pro 3D tisk z kovů a výrobu vysoce výkonných kovových prášků, má strategickou pozici, aby umožnila inženýrům a manažerům nákupu v automobilovém průmyslu. Naše odborné znalosti v oblasti materiálového inženýrství, zejména u vysoce vodivých slitin vyráběných pomocí našich pokročilých atomizačních technik, v kombinaci s naší špičkovou technologií tiskáren umožňují vývoj a výrobu nové generace desek tepelného rozhraní pro elektromobily. Tento blogový příspěvek se zabývá specifiky využití AM kovů, zejména vysoce vodivých slitin, jako jsou CuCrZr a AlSi10Mg, k návrhu a výrobě špičkových TIP, řešení výzev a uvolnění nových úrovní výkonu pro elektrická vozidla. Naším cílem je poskytnout cenné poznatky inženýrským týmům, které hledají špičková řešení, a odborníkům na nákupy, kteří hledají spolehlivé výrobní partnery pro tyto kritické komponenty.

K čemu se používají desky s tepelným rozhraním pro elektromobily? Funkce a aplikace

Desky tepelného rozhraní (TIP) jsou základními součástmi složité architektury tepelného řízení elektrického vozidla. Jejich hlavní účel je elegantně jednoduchý, ale technicky náročný: slouží jako vysoce účinný kanál pro přenos tepla mezi různými součástmi systému. Efektivně překlenují fyzikální a tepelnou mezeru, která nevyhnutelně existuje mezi zdrojem tepla a mechanismem odvodu tepla, a minimalizují odpor tepelného toku přes tuto spojnici.

Primární funkce: Minimalizace tepelného odporu rozhraní

Při styku dvou pevných povrchů vznikají mikroskopické nedokonalosti (drsnost, nedokonalá rovinnost), které vytvářejí malé vzduchové mezery. Vzduch je špatný tepelný vodič, což znamená, že tyto mezery brání toku tepla. Tepelný odpor rozhraní (TIR) tuto překážku kvantifikuje. Vysoká hodnota TIR znamená, že teplo má potíže proniknout přes hranici, což vede k lokálnímu zvýšení teploty v součásti, která vytváří teplo. TIP jsou navrženy tak, aby tento problém překonaly:

1. Zajištění odpovídajícího povrchu: V ideálním případě se TIP dokonale přizpůsobí konturám povrchu zdroje tepla i chladiče/chladicí desky, čímž se maximalizuje skutečná kontaktní plocha.
2. Využití materiálu s vysokou tepelnou vodivostí: Samotný materiál TIP musí klást minimální odpor tepelnému toku. Proto se dává přednost vysoce vodivým slitinám.
3. Usnadnění šíření tepla: TIP často pomáhají rozložit koncentrované teplo z malého zdroje (např. výkonového polovodiče) na větší plochu předtím, než se dostane do primárního chladicího systému, čímž se sníží špičkové teploty.

Podrobné aplikace v rámci elektrických vozidel:

Potřeba účinného tepelného mostu prostřednictvím TIP se týká celého hnacího ústrojí elektromobilu a systémů pro ukládání energie. Mezi klíčové oblasti použití patří:

• Chlazení bateriového bloku: Jedná se pravděpodobně o nejkritičtější aplikaci. Baterie pro elektromobily pracují optimálně v úzkém teplotním rozmezí. Nadměrné teplo urychluje degradaci, snižuje kapacitu a životnost cyklu a v extrémních případech může vyvolat tepelný únik - nebezpečnou řetězovou reakci. Zde se hojně používají TIPy:
  • Mezi buňkami/moduly: Rovnoměrně odvádí teplo od jednotlivých článků baterie směrem k chladicímu rozhraní modulu.
  • Modul-studená deska: Zajištění účinného přenosu tepla ze základny bateriových modulů na kapalinou chlazenou chladicí desku, která cirkuluje chladicí kapalinou a odvádí teplo, často prostřednictvím chladiče. TIPy zde musí přesně odpovídat základně modulu a povrchu chladicí desky.
  • Rozhraní přípojnic: Vysoké proudy protékající přípojnicemi vytvářejí teplo; TIPy mohou pomoci tyto spoje chladit.
• Chlazení výkonové elektroniky (měniče, konvertory, palubní nabíječky): Tyto jednotky zpracovávají vysoké napětí a proudy, převádějí stejnosměrný proud z baterie na střídavý pro motor (měnič) nebo řídí nabíjecí funkce (OBC, DC-DC měniče). Polovodičová zařízení (IGBT, MOSFET) v těchto modulech vytvářejí intenzivní lokalizované teplo.
  • Polovodič k chladiči/studené desce: TIPy jsou umístěny přímo pod výkonovými moduly, aby rychle odváděly teplo a předávaly ho do vzduchem chlazených chladičů nebo kapalinou chlazených desek. Udržování nižších provozních teplot těchto polovodičů je zásadní pro účinnost a spolehlivost.
• Chlazení elektromotoru: Zatímco některé motory se spoléhají na vzduchové nebo olejové chlazení, vysoce výkonné motory často využívají kapalinové chladicí pláště.
  • Rozhraní statoru a motoru: TIP lze potenciálně použít ke zlepšení přenosu tepla ze statorového vinutí nebo součástí rotoru do chladicího pláště nebo skříně, zejména u kompaktních konstrukcí s vysokou hustotou výkonu.
• Součásti nabíjecího systému: Při nabíjení vysokým výkonem vzniká také teplo, a to jak v nabíjecím portu vozidla, tak v související elektronice, což může vyžadovat řízení pomocí TIP.

Zlepšení spolehlivosti komponent a prevence tepelného úniku:

Efektivní tepelný management, kterému významně napomáhají vysoce výkonné TIPy, se přímo promítá do vyšší spolehlivosti a životnosti komponent. Udržováním komponent v optimálních provozních teplotách se zpomaluje rychlost degradace a snižuje se riziko náhlého selhání. V souvislosti s lithium-iontovými bateriemi je pro bezpečnost nejdůležitější zabránit nadměrnému zahřívání. Dobře navržené TIP přispívají k rovnoměrné teplotě článků, čímž se snižuje riziko vzniku lokálních horkých míst, která by mohla potenciálně iniciovat tepelný únik. Proto jsou TIP kritickým prvkem nejen pro výkon, ale i pro základní bezpečnost vozidla. Manažeři veřejných zakázek, kteří tyto komponenty pořizují, v podstatě investují do dlouhodobého zdravotního a bezpečnostního profilu vozidla.

Mimo automobilový průmysl: Širší průmyslový význam

Ačkoli se tato diskuse zaměřuje na elektromobily, principy a aplikace vysoce výkonných TIP se vztahují i na řadu dalších průmyslových odvětví, která vyžadují pokročilý tepelný management pro elektroniku a energetické systémy. Příklady zahrnují:

• Letectví a obrana: Chlazení citlivé avioniky, radarových systémů a rozvodů energie.
• Obnovitelné zdroje energie: Tepelný management v solárních měničích a měničích větrných turbín.
• Průmyslové napájecí zdroje a motorové pohony: Zajištění spolehlivosti tovární automatizace a výkonných zařízení.
• Lékařské přístroje: Chladicí komponenty v diagnostických zobrazovacích zařízeních (MRI, CT) nebo v terapeutických zařízeních s vysokou intenzitou.
• Vysoce výkonná výpočetní technika: Řízení tepelné zátěže datových center a serverů.

Inženýři a velkoobchodní tepelná deska kupující v těchto odvětvích čelí podobným výzvám jako jejich protějšky v automobilovém průmyslu, a proto jsou zde probírané pokroky v oblasti materiálů a výrobních technik velmi důležité pro všechny. Společným požadavkem je schopnost zajistit spolehlivé, vysoce výkonné TIP, případně ve velkém množství pro sériovou výrobu.

Proč používat kovový 3D tisk pro desky tepelného rozhraní pro elektromobily? Uvolnění svobody designu a výkonu

Po desetiletí se konstruktéři při výrobě komponent tepelného managementu spoléhali na tradiční výrobní metody, jako je odlévání, obrábění (CNC frézování/soustružení) a lisování. Tyto techniky jsou sice vyspělé a dobře pochopené, ale často přinášejí značná omezení, zejména při řešení složitých tepelných problémů, které představují moderní elektrická vozidla. Snaha o vyšší účinnost, větší hustotu výkonu a kompaktní balení vyžaduje tepelná řešení, která přesahují možnosti konvenční výroby. Zde je třeba 3D tisk z kovu, neboli aditivní výroba kovů (AM), nabízí změnu paradigmatu.

Omezení tradiční výroby pro TIP:

• Obsazení: Odlévání je sice vhodné pro složité tvary, ale často se potýká s problémy při dosahování tenkých stěn, může trpět pórovitostí (která zhoršuje tepelnou vodivost) a obvykle vyžaduje dodatečné obrábění pro přesné styčné plochy. Výběr materiálu může být také omezený.
• Obrábění (CNC): Nabízí vysokou přesnost a vynikající kvalitu povrchu, ale s rostoucí geometrickou složitostí se stává stále dražší a neekonomičtější (odebírání materiálu z plného bloku). Vytváření složitých vnitřních chladicích kanálů je velmi obtížné nebo nemožné. Obrábění některých vysoce výkonných materiálů, jako jsou některé slitiny mědi, může být náročné a nákladné.
• Razítkování: Cenově výhodné pro velkosériovou výrobu jednoduchých tenkých plechových dílů, ale značně omezené z hlediska geometrické složitosti, tloušťky materiálu a možnosti vytvářet 3D prvky nebo vnitřní kanály.

Výhody AM kovů pro tepelné rozhraní EV:

Metal AM vytváří díly vrstvu po vrstvě přímo z digitálního modelu, což nabízí nebývalou svobodu návrhu a umožňuje funkce speciálně přizpůsobené tepelnému výkonu:

• Bezkonkurenční geometrická složitost: To je pravděpodobně nejvýznamnější výhoda. AM umožňuje:
  • Konformní chladicí kanály: Vnitřní kanály lze navrhnout tak, aby dokonale kopírovaly obrysy zdrojů tepla (např. zakřivené bateriové články) nebo se pohybovaly v těsných prostorech, čímž se maximalizuje účinnost přenosu tepla způsobem, který je nemožný při vrtání nebo odlévání.
  • Složité vnitřní struktury: Přímo do desky TIP lze integrovat prvky, jako jsou vnitřní žebra, čepy nebo mřížkové struktury, které výrazně zvětšují plochu pro výměnu tepla s kapalným chladicím médiem nebo dokonce zlepšují šíření tepla uvnitř samotné desky.
  • Tenkostěnné konstrukce: Procesy AM mohou vytvářet velmi tenké, ale konstrukčně pevné stěny, což snižuje spotřebu materiálu, hmotnost a tepelný odpor.
• Konsolidace částí: Do jediného monolitického tištěného dílu lze často integrovat více komponent (např. základní desku, průtokové kanály, montážní držáky). Tím se zkrátí doba montáže, sníží se počet potenciálních netěsných míst a sníží se problémy s tolerancí, což vede ke spolehlivější a potenciálně levnější finální montáži.
• Odlehčení: AM umožňuje pokročilé strategie odlehčování, aniž by došlo ke snížení tepelné funkce:
  • Optimalizace topologie: Softwarové algoritmy mohou určit nejefektivnější rozložení materiálu pro tepelné a konstrukční zatížení a odstranit nepotřebný materiál.
  • Mřížové struktury: Nahrazení plných profilů vnitřními mřížkovými strukturami může výrazně snížit hmotnost při zachování tuhosti a potenciálně zlepšit proudění kapaliny, pokud je použito v kanálech. To má zásadní význam u elektromobilů, kde celková hmotnost vozidla přímo ovlivňuje dojezd.
• Rychlé prototypování a iterace: AM umožňuje konstruktérům rychle vyrobit a otestovat více variant návrhu TIP. Tepelný výkon lze empiricky ověřit mnohem rychleji než u tradičních metod, které vyžadují nástroje nebo složité nastavení obrábění. To urychluje vývojový cyklus optimalizovaných tepelných řešení, což umožňuje dodavatelé aditivní výroby pro automobilový průmysl rychleji dosahovat výsledků.
• Flexibilita a optimalizace materiálů: Procesy AM s kovy, jako je selektivní laserové tavení (SLM) / laserová fúze v práškovém loži (LPBF) nebo selektivní tavení elektronovým svazkem (SEBM), mohou pracovat s širokou škálou kovových prášků, včetně vysoce vodivých slitin, jako je CuCrZr, které jsou známé svými vynikajícími tepelnými vlastnostmi, ale mohou být obtížně zpracovatelné konvenčním způsobem. AM umožňuje jemné vyladění procesních parametrů pro optimalizaci mikrostruktury, a tím i konečných vlastností (např. tepelné vodivosti) tištěného materiálu. Zkušenosti společnosti Met3dp’s různými materiály zajišťují optimální výsledky.
• Přizpůsobení a výroba na vyžádání: Konstrukce TIP lze snadno přizpůsobit konkrétním modelům elektromobilů, konfiguracím akumulátorů nebo modulům výkonové elektroniky bez nutnosti nákladného přestavování. To je ideální pro specifické aplikace, výkonnostní varianty nebo přizpůsobení aktualizacím konstrukce v průběhu životního cyklu vozidla. Usnadňuje také výrobu na vyžádání, čímž snižuje požadavky na skladové zásoby výrobní partneři.

Srovnání: Kovové AM vs. tradiční metody pro výrobu TIP

Vlastnosti	Výroba aditiv kovů (AM)	Tradiční casting	Tradiční obrábění (CNC)	Tradiční ražba
Geometrická složitost	Velmi vysoká (vnitřní kanály, mřížky, konformní)	Mírná (omezená konstrukcí formy)	Mírná (omezená přístupem k nástrojům)	Nízká (většinou 2D/2,5D tvary)
Vnitřní kanály	Snadná integrace, možnost složitých cest	Obtížné, vyžaduje složitá jádra/formy	Velmi obtížné / nemožné	Impossible
Tloušťka stěny	Lze dosáhnout velmi tenkých stěn (<0,5 mm)	Omezené (obvykle 2-3 mm)	Omezeno velikostí/tuhostí nástroje	Definováno podle tloušťky plechu
Konsolidace částí	Vysoký potenciál	Mírný potenciál	Nízký potenciál	Velmi nízký potenciál
Odlehčení	Výborně (topologie, mřížky)	Omezený	Omezené (pouze odstraňování materiálu)	Omezeno formou listu
Materiálový odpad	Nízká (prášek je z velké části recyklovatelný)	Středně těžká (běžci, brány)	Vysoká (subtraktivní proces)	Mírná (odřezky)
Rychlost prototypování	Půst (dny)	Pomalé (týdny/měsíce na výrobu nástrojů)	Mírná (závisí na složitosti)	Pomalý (vyžaduje umírání)
Náklady na nástroje	Žádný	Vysoká (formy)	Nízká (standardní nářadí, potřebné přípravky)	Vysoká (umírá)
Výběr materiálu	Široký (včetně obtížně obrobitelných slitin)	Mírná (specifické slitiny odlitků)	Široká (ale náklady se výrazně liší)	Omezené (tvárné plechy)
Vysoce vodivá Cu	Proveditelné (např. CuCrZr)	Možné, ale náročné	Možné, ale náročné/nákladné	Obecně nevhodné
Ideální objem	Prototypy, malé až střední objemy, zakázkové díly	Střední až velký objem	Prototypy, nízký až střední objem	Velmi vysoký objem
Náklady na díl	Vyšší při nízkém objemu, potenciálně nižší u složitých produktů	Nižší při velmi vysokém objemu	Značně se liší podle složitosti	Velmi nízká při velmi vysoké hlasitosti

Export do archů

Využitím těchto výhod umožňuje AM technologie inženýrům navrhovat a vyrábět desky tepelného rozhraní pro elektromobily, které nabízejí vynikající tepelný výkon, sníženou hmotnost a integrovanou funkčnost, což přímo přispívá k celkové účinnosti, spolehlivosti a dojezdu elektromobilů. Spolupráce se zkušeným Poskytovatel služeb metal AM jako je Met3dp, zajišťuje přístup k technologiím a odborným znalostem potřebným k realizaci těchto výhod.

Doporučené vysoce vodivé materiály: CuCrZr a AlSi10Mg Reflektor

Výběr správného materiálu je při návrhu desky tepelného rozhraní (TIP) nejdůležitější, zejména pro náročné aplikace v elektromobilech, kde je účinný odvod tepla nezbytný. Zatímco mnoho kovů vede teplo, některé slitiny vynikají výjimečnými tepelnými vlastnostmi v kombinaci s odpovídající mechanickou pevností a vhodností pro aditivní výrobní procesy. Mezi klíčové vlastnosti, kterými se řídí výběr materiálu pro TIP, patří:

• Tepelná vodivost (k): Nejkritičtější vlastnost, která měří schopnost materiálu vést teplo. Vyšší hodnoty znamenají rychlejší přenos tepla. Měří se ve W/(m-K).
• Mechanická pevnost (mez kluzu, pevnost v tahu): TIP musí odolávat mechanickému zatížení způsobenému upínacími silami, vibracemi a manipulací, aniž by došlo k jeho deformaci nebo poruše.
• Hustota (ρ): Nižší hustota přispívá k odlehčení, které je pro celkovou účinnost vozidla zásadní. Měřeno v g/cm³.
• Koeficient tepelné roztažnosti (CTE): Důležité pro zvládání tepelného namáhání při styku s různorodými materiály v celém rozsahu provozních teplot.
• Odolnost proti korozi: Zvláště důležité je to v případě, že TIP přichází do styku s kapalnými chladicími médii nebo pracuje ve vlhkém prostředí.
• Možnost tisku: Snadnost a spolehlivost, s jakou lze materiál zpracovávat pomocí technik AM kovů (např. LPBF, SEBM).

Pro vysoce výkonné TIPy pro elektromobily vyráběné metodou AM si značnou pozornost získaly dva materiály: Měď-chrom-zirkonium (CuCrZr) a Hliník-křemík-hořčík (AlSi10Mg).

Měděná slitina Spotlight: CuCrZr (např. C18150)

Měď a její slitiny jsou proslulé svou vynikající tepelnou a elektrickou vodivostí, která je druhá nejvyšší po stříbře. CuCrZr je srážením kalitelná slitina mědi, která nabízí přesvědčivou kombinaci vysoké vodivosti a relativně dobré mechanické pevnosti, zejména po vhodném tepelném zpracování.

• Složení: Převážně měď s malými přídavky chromu (Cr ~0,5-1,2 %) a zirkonia (Zr ~0,03-0,3 %).
• Tepelná vodivost: To je výjimečná funkce. V závislosti na přesném stavu (stav po otisku vs. tepelné zpracování) může CuCrZr dosahovat hodnot tepelné vodivosti výrazně vyšších než hliníkové slitiny nebo oceli, často v rozmezí od 1 do 5 °C 300-340 W/(m-K) po optimálním tepelném zpracování (žíhání v roztoku a stárnutí). To je výrazně lepší než u nerezových ocelí (~15 W/(m-K)) nebo dokonce u mnoha hliníkových slitin.
• Mechanické vlastnosti: Pevnost ve stavu po vytištění je střední. Tepelné zpracování po tisku (rozpuštění a následné srážecí kalení/stárnutí) však výrazně zvyšuje mez kluzu (potenciálně >350-450 MPa) a pevnost v tahu (>450-550 MPa) při přijatelné tažnosti. Díky tomu je dostatečně robustní pro typická upínací a provozní zatížení.
• Výzvy a úvahy:
  • Možnost tisku: Slitiny mědi mají vysokou odrazivost a tepelnou vodivost, což z nich činí tradiční výzvu pro systémy laserové fúze v práškovém loži (LPBF), protože laserová energie se snadno odráží nebo odvádí, což vyžaduje vyšší výkon laseru a optimalizované parametry. Jsou také náchylné k oxidaci, což vyžaduje přísnou kontrolu inertní atmosféry v konstrukční komoře.
  • Tepelné zpracování: Dosažení optimální kombinace vodivosti a pevnosti vyžaduje specifické následné tepelné úpravy, které zvyšují počet kroků a náklady na výrobní postup.
• Ideální aplikace: Situace vyžadující absolutně nejvyšší míru odvodu tepla, kdy vynikající tepelná vodivost ospravedlňuje potenciálně vyšší náklady na materiál a zpracování. Příkladem může být chlazení výkonových polovodičů s vysokým průtokem ve střídačích nebo kritických rozhraní bateriových modulů, kde je minimalizace teplotních gradientů nezbytná pro bezpečnost a dlouhou životnost.
• Výhoda Met3dp&#8217: Úspěšný tisk vysoce kvalitních dílů z CuCrZr vyžaduje jak optimalizované tiskové systémy, tak vynikající kvalitu prášku. Met3dp využívá své pokročilý systém výroby prášku, využívající špičkové technologie rozprašování plynu a potenciálně plazmového procesu s rotujícími elektrodami (PREP). Tyto metody produkují vysoce sférický prášek CuCrZr s vynikající tekutostí a nízkým obsahem kyslíku, což je klíčové pro dosažení hustých výtisků bez defektů s konzistentními vlastnostmi. Naše hluboké znalosti interakcí mezi materiály a procesy nám umožňují přizpůsobit strategie tisku pro náročné materiály, jako jsou slitiny mědi.

Hliníková slitina Spotlight: AlSi10Mg

AlSi10Mg je jednou z nejpoužívanějších hliníkových slitin v aditivní výrobě, zejména prostřednictvím LPBF. Je to v podstatě slitina odlitků upravená pro AM, která nabízí dobrou rovnováhu tepelných vlastností, mechanické pevnosti, nízké hustoty a vynikající tisknutelnosti.

• Složení: Převážně hliník s křemíkem (~9-11 %) a hořčíkem (~0,2-0,45 %) jako hlavními legujícími prvky.
• Tepelná vodivost: Tepelná vodivost AM AlSi10Mg je sice výrazně nižší než CuCrZr, ale stále dobrá, obvykle v rozmezí od 120-180 W/(m-K), v závislosti na stavu po zpracování (bez tisku vs. odlehčené od napětí nebo tepelně zpracované T6). To je podstatně lepší než u ocelí a dostatečné pro mnoho aplikací tepelného managementu elektrických vozidel.
• Mechanické vlastnosti: AlSi10Mg vykazuje dobrý poměr pevnosti k hmotnosti. As-printed parts often have high strength due to the rapid solidification inherent in AM, with yield strengths potentially exceed 230-280 MPa and tensile strengths over 350-450 MPa. Tepelné úpravy (jako je odlehčení od napětí nebo T6) mohou tyto vlastnosti modifikovat a často zvyšují tažnost na úkor určité pevnosti.
• Vynikající tisknutelnost: AlSi10Mg je známý svou dobrou zpracovatelností v systémech LPBF. Má dobré absorpční vlastnosti laseru a v porovnání se slitinami mědi se z něj obvykle relativně snadno vyrábějí husté díly.
• Lehké: S hustotou přibližně 2,67 g/cm³, je výrazně lehčí než CuCrZr (~8,8-8,9 g/cm³), což přispívá ke snížení hmotnosti vozidla.
• Odolnost proti korozi: Slitiny hliníku přirozeně vytvářejí pasivní vrstvu oxidu, která zajišťuje dobrou odolnost proti korozi v typických provozních prostředích.
• Efektivita nákladů: Prášek i proces tisku pro AlSi10Mg jsou obecně cenově výhodnější než pro CuCrZr.
• Ideální aplikace: Univerzální volba vhodná pro širokou škálu aplikací TIP, kde je dostatečná tepelná vodivost a výhodná nízká hmotnost a cenová výhodnost. Patří sem mnoho chladicích desek bateriových modulů, skříně měničů s integrovaným chlazením a obecné chladiče, kde není primárním faktorem extrémní tepelný tok.
• Met3dp’s Expertise: Společnost Met3dp má rozsáhlé zkušenosti s optimalizací procesu LPBF pro AlSi10Mg, což zajišťuje vysokou hustotu, vynikající mechanické vlastnosti a rozměrovou přesnost. Naše vysoce kvalitní prášky AlSi10Mg, vyráběné pod přísnou kontrolou kvality, jsou základem pro spolehlivé a opakovatelné výsledky výroby pro naše B2B klienty, kteří hledají hliníkové komponenty AM.

Srovnání vlastností materiálu (typické hodnoty – mohou se lišit v závislosti na procesu/ošetření):

Vlastnictví	Jednotka	3D tisk z CuCrZr (tepelně zpracovaný)	3D tištěný AlSi10Mg (As-Printed/Stress Relieved)	Tepaná měď (C11000)	Tepaný hliník (6061-T6)	Nerezová ocel (316L)
Tepelná vodivost	W/(m-K)	~300 – 340	~120 – 150	~390	~167	~15
Elektrická vodivost	% IACS	~80 – 90	~30 – 40	~100	~40	~2
Hustota	g/cm³	~8.89	~2.67	8.94	2.70	~8.0
Mez kluzu (posun 0,2%)	MPa	~350 – 450+	~230 – 280+	~70	~276	~200
Maximální pevnost v tahu	MPa	~450 – 550+	~350 – 450+	~220	~310	~520
Tvrdost	HRB / HV	~75-85 HRB / ~140-180 HV	~100-120 HV	~40 HRF	~95 HB	~79 HRB
Rozsah tání	°C	~1070 – 1080	~570 – 615	1083	582 – 652	~1375 – 1400
CTE (20-100 °C)	µm/(m-°C)	~17.0	~21.5	16.5	23.6	~16.0

Export do archů

Poznámka: Hodnoty pro 3D tištěné materiály jsou velmi závislé na parametrech procesu, orientaci sestavení a následném zpracování. Jedná se o reprezentativní hodnoty.

Kritická role kvality prášku:

Úspěšnost výroby vysoce výkonných TIP pomocí technologie AM závisí do značné míry na kvalitě suroviny - kovového prášku. Mezi klíčové vlastnosti prášku, které ovlivňují výsledný díl, patří:

• Distribuce velikosti částic (PSD): Ovlivňuje hustotu a tekutost práškového lože.
• Sféricita: Vysoce kulovité částice lépe tečou a jsou hustěji zabaleny, což vede k nižší pórovitosti konečného dílu.
• Tekutost: Zajišťuje rovnoměrné rozprostření vrstev prášku během tisku.
• Čistota / nízký obsah kyslíku: Kontaminanty, zejména kyslík, mohou zhoršovat mechanické vlastnosti a tepelnou vodivost. To má zásadní význam pro reaktivní materiály, jako je hliník, a slitiny náchylné k oxidaci, jako je měď.

Závazek společnosti Met3dp&#8217 vyrábět vysoce kvalitní kovové prášky je ústředním bodem naší nabídky hodnot. Naše pokročilé výrobní procesy, včetně sofistikovaných plynových atomizačních jednotek s jedinečnou konstrukcí trysek a potenciálně PREP pro dosažení maximální čistoty a sféricity, zajišťují, že naše prášky splňují přísné požadavky pro náročné aplikace, jako je tepelný management elektromobilů. Řízením těchto vlastností prášků umožňujeme našim zákazníkům 3D tisk hustých, vysoce kvalitních kovových dílů s vynikajícími a spolehlivými tepelnými a mechanickými vlastnostmi, které poskytují dodávka kovového prášku ve velkém množství přizpůsobené pro úspěch aditivní výroby. Výběr správného materiálu, zpracovaného z vysoce kvalitního prášku na schopných strojích, je základem pro efektivní 3D tištěné desky s tepelným rozhraním.

Úvahy o návrhu aditivně vyráběných desek tepelného rozhraní

Využití plného potenciálu aditivní výroby kovů (AM) pro desky tepelného rozhraní (TIP) pro elektromobily přesahuje pouhou replikaci stávajících návrhů. Vyžaduje přijetí Design pro aditivní výrobu (DfAM) principy - metodika návrhu, která aktivně zahrnuje jedinečné možnosti a omezení procesu AM s cílem optimalizovat výkon, snížit náklady a zvýšit vyrobitelnost. V případě TIP se DfAM výrazně zaměřuje na maximalizaci tepelné účinnosti při současném zohlednění strukturální integrity, hmotnosti a požadavků na následné zpracování. Inženýři navrhující TIP pro AM by měli vzít v úvahu následující klíčové aspekty:

Optimalizace geometrie pro tepelný tok a tepelný kontakt:

• Konformní design: Na rozdíl od obráběných desek, které jsou obvykle ploché, umožňuje technologie AM dokonalé přizpůsobení povrchu TIP obrysům zdroje tepla (např. válcovým bateriovým článkům, zakřiveným krytům napájecích modulů) a chladiče/chladicí desky. Tím se minimalizují mezery mezi povrchy a tepelný kontaktní odpor, což výrazně zlepšuje účinnost přenosu tepla. Konstrukce by měly usilovat o maximální kontaktní plochu na kritických rozhraních.
• Tenké stěny: Kovová AM může vyrábět stěny výrazně tenčí než odlitky, často pod 1 mm a potenciálně až 0,3-0,5 mm v závislosti na materiálu, stroji (jako jsou stroje nabízené společností Met3dp) a geometrii. Tenké stěny snižují cestu tepelného odporu přes samotný materiál TIP a přispívají k odlehčení. Minimální tloušťka však musí zohledňovat také konstrukční požadavky a manipulaci.
• Hladké přechody & Filetování: Ostré vnitřní rohy mohou vytvářet koncentrace napětí a potenciálně bránit plynulému proudění kapaliny, pokud jsou přítomny vnitřní kanály. Začlenění koutů a hladkých přechodů do konstrukce zlepšuje strukturální integritu a tepelný výkon. Pokud je to možné, vyhněte se náhlým změnám průřezu, abyste zvládli tepelné namáhání během tisku.
• Maximalizovaná plocha povrchu: V případě potřeby (např. při styku s proudícím vzduchem nebo kapalným chladicím médiem) navrhněte prvky, které maximalizují plochu povrchu pro konvektivní přenos tepla. To může zahrnovat vnější žebra nebo vnitřní struktury v chladicích kanálech.

Začlenění pokročilých tepelných funkcí:

• Vnitřní chladicí kanály: To je hlavní výhoda systému AM. Kanály lze navrhovat se složitými, nelineárními cestami, aby bylo možné přesně zaměřit horká místa nebo se pohybovat kolem jiných komponent.
  • Mikrokanálky: Velmi malé kanálky (submilimetrové) mohou výrazně zvýšit poměr plochy k objemu pro vysoce účinné chlazení kapalinou, ačkoli klíčovým konstrukčním omezením se stává tlaková ztráta.
  • Optimalizované tvary kanálů: Kanály nemusí být kruhové; eliptické, obdélníkové nebo bioinspirované tvary (např. větvení ve tvaru stromu) lze použít k optimalizaci proudění a přenosu tepla za specifických podmínek. Neocenitelné jsou zde simulace CFD (Computational Fluid Dynamics).
  • Integrované rozdělovače: Vstupní a výstupní potrubí pro průtok chladicí kapaliny lze přímo integrovat do konstrukce TIP, čímž se sníží potřeba samostatných součástí a potenciálních míst úniku.
• Vnitřní konstrukce (čepy, ploutve, stativy): U rozhraní s převahou vedení mohou vnitřní struktury, jako jsou kolíky nebo trojnožky, zvýšit tepelný kontaktní tlak a poskytnout alternativní tepelné cesty, což je užitečné zejména v případě nerovných povrchů nebo materiálů tepelného rozhraní (TIM). AM umožňuje jejich složité a přesné umístění.
• Mřížkové struktury / buněčné materiály: Nahrazení pevných částí TIP optimalizovanými mřížovými strukturami přináší několik výhod:
  • Odlehčení: Výrazné snížení hmotnosti při zachování tuhosti a pevnosti na míru.
  • Zvýšená konvekce: Pokud jsou mřížky navrženy pro proudění kapaliny, mohou vyvolat turbulenci a zvětšit povrch, čímž se zlepší přenos tepla do chladicí kapaliny. Mřížky TPMS (Triply Periodic Minimal Surfaces) jsou obzvláště zajímavé pro svůj vysoký povrch a dobré strukturální vlastnosti.
  • Tlumení vibrací: Mřížky mohou mít ve srovnání s pevnými materiály lepší vlastnosti tlumení vibrací.

Tloušťka stěny, velikost prvků a přesahy:

• Minimální velikost prvku: Procesy AM mají omezení týkající se nejmenších prvků, které mohou spolehlivě vyrobit (např. průměr otvoru, tloušťka stěny, velikost čepu). To závisí na konkrétní technologii AM (LPBF obvykle nabízí jemnější rozlišení než SEBM), velikosti laserového/ paprskového bodu, tloušťce vrstvy a materiálu. Při navrhování jemných prvků musí konstruktéři znát konkrétní možnosti stroje (např. specifikace tiskárny Met3dp&#8217).
• Samonosné úhly: AM vyžaduje podpůrné konstrukce pro převislé prvky pod určitým úhlem vzhledem ke konstrukční desce (obvykle <45 stupňů pro většinu kovových procesů). Navrhování prvků s úhly nad touto hranicí (“samonosné úhly”) výrazně snižuje potřebu podpěr, zjednodušuje následné zpracování a snižuje plýtvání materiálem. Tam, kde jsou převisy nezbytné, zvažte jejich konstrukci tak, aby byly snadno přístupné pro odstranění podpěr.
• Orientace otvorů: Svislé otvory se obecně tisknou přesněji a kulatěji než vodorovné otvory, které mohou vyžadovat podpěry a mohou mít mírně eliptický tvar kvůli vrstvené konstrukci.

Strategie podpůrné struktury:

Podpěrné konstrukce jsou v kovovém AM často nutným zlem. Ukotvují díl na konstrukční desce, podporují přesahy a pomáhají odvádět teplo během tisku, čímž zmírňují deformace. Spotřebovávají však další materiál, prodlužují dobu tisku a vyžadují odstranění při následném zpracování, což může zanechat stopy.

• Minimalizace podpěr na kritických plochách: Pokud je to možné, vyhněte se umístění podpěr na funkčních rozhraních (kde se TIP dotýká zdroje tepla nebo chladiče) nebo ve složitých vnitřních kanálech, protože jejich odstranění může být obtížné a může dojít k poškození povrchu nebo ovlivnění rovinnosti.
• Návrh na odstranění: Pokud se podpěrám nevyhnete, navrhněte je tak, abyste k nim měli snadnější přístup a mohli je odstranit (např. použití podpěr s menšími kontaktními body, zajištění přímé viditelnosti pro nástroje). Někdy je výhodné začlenit do konstrukce prvky speciálně usnadňující odstraňování podpěr.
• Optimalizace orientace: Orientace dílu na konstrukční desce významně ovlivňuje umístění podpěr, kvalitu povrchu na různých plochách, dobu tisku a možnost zkreslení. Softwarové nástroje mohou pomoci najít optimální orientaci na základě minimalizace podpěr, maximalizace kvality povrchu nebo snížení tepelného namáhání.

Využití simulace:

Vzhledem ke složitosti přenosu tepla a proudění tekutin v pokročilých konstrukcích TIP jsou simulační nástroje během procesu DfAM nezbytné:

• Tepelná simulace (FEA): Předpovídá rozložení teplot, identifikuje horká místa a vyhodnocuje celkový tepelný odpor konstrukce TIP za provozních podmínek. Umožňuje virtuální porovnání různých iterací návrhu.
• Výpočetní dynamika tekutin (CFD): Modeluje proudění kapaliny (chladicí kapaliny) vnitřními kanály, předpovídá tlakové ztráty a analyzuje konvekční koeficienty přenosu tepla. Je nezbytný pro optimalizaci geometrie kanálů a mřížkových struktur pro kapalinové nebo vzduchové chlazení.
• Optimalizace topologie: Software automaticky optimalizuje rozložení materiálu v rámci definovaného návrhového prostoru na základě konstrukčního zatížení, tepelného zatížení a výkonnostních cílů (např. minimalizace tepelného odporu, minimalizace hmotnosti). Výsledkem jsou často organicky vypadající, vysoce účinné struktury vhodné pro AM.

Při pečlivém zvážení těchto principů DfAM mohou inženýři plně využít potenciálu technologie AM a vytvořit tepelné desky pro elektromobily, které se nejen vyrábějí jinak, ale také fungují výrazně lépe než jejich tradičně vyráběné protějšky, což má přímý dopad na výkon a spolehlivost elektromobilů. Spolupráce se zkušenými poskytovateli AM, jako je Met3dp, již v rané fázi návrhu může poskytnout cenné informace o možnostech a omezeních procesu.

Dosažení přesnosti: Tolerance, povrchová úprava a rozměrová přesnost u 3D tištěných TIPů

Aditivní výroba kovů nabízí bezkonkurenční volnost při navrhování, ale dosažení požadované přesnosti u funkčních komponent, jako jsou desky tepelného rozhraní pro elektromobily, je velmi důležité. Inženýři a manažeři nákupu musí mít jasnou představu o typických tolerancích, povrchové úpravě a celkové rozměrové přesnosti dosažitelné při AM výrobě kovů, jakož i o faktorech, které tyto vlastnosti ovlivňují. Tyto aspekty mají přímý vliv na uložení, montáž a především na tepelný výkon na kritických rozhraních.

Typické tolerance v kovovém AM:

Dosažitelné rozměrové tolerance do značné míry závisí na konkrétním procesu AM (LPBF obecně nabízí přísnější tolerance než SEBM nebo DED), na tištěném materiálu, velikosti a složitosti dílu, kvalitě a kalibraci stroje AM a na krocích po zpracování.

• Obecné tolerance (LPBF): U dobře řízených procesů a středně velkých dílů se typické tolerance často pohybují v rozmezí ±0,1 mm až ±0,2 mm pro několik prvních centimetrů s dodatečnou tolerancí na centimetr délky (např. ±0,002 mm/mm). U menších prvků lze dosáhnout přísnějších tolerancí (např. ±0,05 mm).
• Velké díly: Dosažení přísných tolerancí u velkých dílů (např. >300-500 mm) je náročnější kvůli kumulativním tepelným vlivům (smršťování, deformace).
• Post-Machining: U kritických rozměrů, zejména u styčných ploch vyžadujících vysokou rovinnost nebo specifické uložení, se často používá CNC obrábění po tisku, aby se dosáhlo mnohem větších tolerancí, případně až na ±0,01 mm až ±0,05 mm nebo lepší, podobně jako při konvenčním obrábění.

Faktory ovlivňující přesnost rozměrů:

• Tepelné smršťování a napětí: Jak roztavený kov tuhne a chladne vrstvu po vrstvě, smršťuje se. Nerovnoměrné ochlazování vede k vnitřnímu pnutí, které může způsobit deformace a zkroucení a ovlivnit konečné rozměry. Zásadní roli zde hrají vlastnosti materiálu (CTE), strategie skenování a podpůrné struktury.
• Kalibrace stroje: Zásadní je přesné umístění laseru/paprsku, konzistentní velikost bodu a kontrola tloušťky vrstvy. Pravidelná kalibrace a údržba systému AM jsou nezbytné.
• Parametry procesu: Výkon laseru, rychlost skenování, rozteč šraf a průtok plynu (v LPBF) významně ovlivňují dynamiku taveniny, rychlost tuhnutí a výslednou mikrostrukturu, což může mít vliv na rozměrovou přesnost a stabilitu.
• Vlastnosti prášku: Konzistentní kvalita prášku (PSD, morfologie, tekutost) zajišťuje rovnoměrné rozprostření vrstvy a předvídatelné chování při tavení.
• Geometrie a orientace dílů: Složité geometrie a orientace na konstrukční desce ovlivňují nahromadění tepla, požadavky na podporu a možnost deformace.

Drsnost povrchu (Ra):

Povrchová úprava je pro TIP obzvláště důležitá, protože drsný povrch zvyšuje tepelný odpor kontaktu. Drsnost zachycuje vzduch v údolích mezi styčnými plochami, což brání proudění tepla. Hladší povrch umožňuje těsnější kontakt a lepší přenos tepla, zejména při použití materiálů tepelného rozhraní (TIM).

• Povrchová úprava jako při tisku: Drsnost povrchu (Ra) kovových dílů vytištěných metodou AM je obvykle vyšší než u obráběných povrchů.
  • LPBF: Typické hodnoty Ra se pohybují od 5 µm až 20 µmv závislosti na materiálu, parametrech a orientaci povrchu.
  • Svislé stěny: Obecně vykazují nižší Ra ve srovnání s povrchy směřujícími nahoru nebo dolů.
  • Plochy směřující dolů (podporované): Často vykazují nejvyšší drsnost v důsledku kontaktu s nosnými konstrukcemi. Místní drsnost mohou ovlivnit také stopy po odstranění podpěr.
  • Povrchy směřující vzhůru: Může být hladší, ale v závislosti na tloušťce vrstvy a zakřivení povrchu může vykazovat určité “schodovité&#8221 efekty.
  • Velikost částic prášku: Jemnější prášky obecně vedou k hladšímu povrchu, ale mohou mít problémy se sypkostí.
• Zlepšení povrchové úpravy:
  • Orientace: Orientace kritických ploch vertikálně nebo jako ploch směřujících nahoru může přinést lepší povrchovou úpravu po tisku.
  • Optimalizace parametrů: Jemné doladění parametrů procesu může ovlivnit chování taveniny na povrchu.
  • Následné zpracování: Nezbytné pro dosažení hladkých povrchů srovnatelných s obráběním. Kroky, jako je tryskání, pískování, leštění, elektrolytické leštění nebo mikroobrábění, mohou výrazně snížit hodnoty Ra, často až na hodnotu 1,5 <1 µm nebo v případě potřeby i nižší.

Metrologie a zajištění kvality:

Klíčové je ověřit, zda tištěný TIP splňuje stanovené rozměrové požadavky a požadavky na povrchovou úpravu. Mezi běžné metrologické techniky patří:

• Souřadnicové měřicí stroje (CMM): Poskytují vysoce přesná bodová měření pro ověřování kritických rozměrů, rovinnosti a geometrických tolerancí.
• 3D laserové skenování / skenování strukturovaným světlem: Zachycení celé geometrie dílu, což umožňuje porovnání s původním modelem CAD a podrobnou analýzu odchylek, deformací a profilů povrchu.
• Povrchové profilometry: Měření drsnosti povrchu (Ra, Rz atd.) na určitých plochách.
• Nedestruktivní zkoušení (NDT): Ke kontrole vnitřních prvků (např. kanálků) a zjišťování vnitřní pórovitosti lze použít techniky, jako je CT skenování.

Společnost Met3dp, která slouží náročným průmyslovým odvětvím, jako je letecký, lékařský a automobilový průmysl, chápe, že přesnost a spolehlivost jsou nesmírně důležité. Náš závazek sahá od používání vysoce kvalitních prášků a špičkových tiskových zařízení až po zavádění přísných procesů kontroly kvality. Úzce spolupracujeme s klienty na definování dosažitelných tolerancí a požadavků na povrchovou úpravu, využíváme optimalizaci procesů a vhodné postupy následného zpracování, abychom dodali kritické komponenty, které splňují přísné specifikace. Zajištění rozměrové přesnosti a odpovídající povrchové úpravy je nedílnou součástí hodnotové nabídky všech řešení nabízených v rámci projektu Webové stránky Met3dp.

Úvahy o zadávání zakázek:

Při zadávání zakázek na 3D tištěné TIP by měli manažeři nákupu jasně specifikovat požadované tolerance (pomocí norem pro geometrické rozměry a tolerance – GD&T), kritické hodnoty povrchové úpravy (Ra) a požadavky na kontrolu v technických výkresech a žádostech o cenovou nabídku (RFQ). Pochopení vzájemného vztahu mezi složitostí konstrukce, výběrem materiálu, možnostmi procesu AM a následným zpracováním je klíčem k řízení očekávání a zajištění toho, aby výsledná součást splňovala náročné funkční požadavky systémů tepelného řízení EV.

Cesty následného zpracování pro zvýšení výkonu a spolehlivosti TIP

Výroba desky tepelného rozhraní pomocí aditivní výroby kovů se zřídkakdy zastaví, když díl vyjede z tiskárny. Pro naprostou většinu technických aplikací, zejména těch náročných, jako je tepelný management elektromobilů, následné zpracování je základní posloupnost kroků potřebných k přeměně vytištěné součásti na funkční a spolehlivý díl, který splňuje všechny výkonnostní specifikace. Součástky vytištěné před tiskem často vykazují vnitřní pnutí, vyžadují odstranění podpůrných struktur, nemusí splňovat konečné požadavky na tolerance nebo povrchovou úpravu a mohou vyžadovat zlepšení vlastností (zejména u slitin, jako je CuCrZr).

Pochopení typického pracovního postupu po zpracování je zásadní pro konstruktéry, kteří navrhují díly (aby tyto kroky usnadnili), a pro manažery nákupu, kteří hodnotí dodavatele a chápou celkovou dobu výroby a náklady. Konkrétní kroky do značné míry závisí na použitém materiálu (např. CuCrZr vs. AlSi10Mg), složitosti dílu a požadavcích na použití.

Běžné kroky následného zpracování 3D tištěných kovových hrotů:

1. Úleva od stresu / tepelné ošetření: Často se jedná o jeden z prvních kroků po tisku, který se obvykle provádí ještě v době, kdy je díl připevněn ke konstrukční desce.
   • Účel: Rychlé cykly zahřívání a ochlazování, které jsou pro AM typické, vytvářejí v dílu značné vnitřní pnutí. Tato napětí mohou způsobit deformace při vyjímání z konstrukční desky nebo později v průběhu životnosti součásti. Tepelné zpracování tato napětí uvolňuje. U některých slitin je také rozhodující pro dosažení požadované mikrostruktury a vlastností.
   • AlSi10Mg: Obvykle prochází cyklem uvolňování napětí (např. 2-3 hodiny při ~300 °C), aby se snížilo vnitřní napětí a stabilizovala mikrostruktura, aniž by se výrazně změnily mechanické vlastnosti. Ke zlepšení tažnosti lze také použít tepelné zpracování T6 (rozpuštění + stárnutí), které však může mírně snížit pevnost a ovlivnit tepelnou vodivost.
   • CuCrZr: Tepelné zpracování je kritické za účelem dosažení vysoké tepelné vodivosti a mechanické pevnosti. Obvykle se jedná o dvoufázový proces:
     • Žíhání roztoků: Zahřátí na vysokou teplotu (~950-1000 °C) za účelem rozpuštění Cr a Zr precipitátů do měděné matrice a následné rychlé ochlazení.
     • Srážkové vytvrzování (stárnutí): Přehřátí na nižší teplotu (~450-550 °C) po určitou dobu umožňuje vznik jemných Cr a Zr precipitátů, které materiál zpevňují a současně umožňují vysokou tepelnou/elektrickou vodivost. Přesné řízení tohoto procesu je nezbytné.
   • Řízení atmosféry: Tepelné zpracování se obvykle provádí ve vakuových pecích nebo v řízené inertní atmosféře (např. argon nebo dusík), aby se zabránilo oxidaci, což je zvláště důležité u slitin mědi.
2. Odstranění ze stavební desky: Po tepelném zpracování (pokud je to možné) je třeba díl oddělit od konstrukční desky, na které byl vytištěn.
   • Metody: Běžně se k tomu používá elektroerozivní obrábění drátem (EDM) nebo pásová pila. Drátové elektroerozivní obrábění nabízí přesný řez blízko základny dílu, čímž se minimalizuje odpad materiálu a potřeba následného obrábění.
3. Odstranění podpůrné konstrukce: To může být jeden z nejpracnějších a nejjemnějších kroků následného zpracování.
   • Metody: V závislosti na konstrukci a umístění mohou být podpěry odstraněny ručně (pomocí kleští, štípacích kleští), pomocí CNC obrábění nebo někdy pomocí elektrochemických metod. Přístup může být náročný, zejména v případě vnitřních podpěr ve složitých kanálech.
   • Povrchový dopad: Odstranění podpěr nevyhnutelně zanechává na povrchu, kde byly připevněny, stopy nebo jizvy. Tyto oblasti často vyžadují další dokončovací kroky, pokud je kvalita povrchu kritická. Konstrukce podpěr pro snadné odstranění (viz oddíl DfAM) je velmi výhodná.
4. CNC obrábění: I při přesnosti moderních systémů AM vyžadují kritické prvky často sekundární obrábění, aby byly splněny přísné tolerance nebo specifické požadavky na povrch.
   • Účel: Dosažení kritické rovinnosti na styčných plochách (nezbytné pro nízký tepelný kontaktní odpor), obrábění přesných průměrů a umístění otvorů, vytváření závitových otvorů nebo dosažení velmi hladké povrchové úpravy (nízké Ra) na specifických plochách.
   • Úvahy: Vyžaduje pečlivou konstrukci upínacího přípravku, aby se potenciálně složitý AM díl bezpečně udržel bez deformace. U povrchů, které vyžadují obrábění, musí být v návrhu AM zahrnuto dostatečné množství základního materiálu.
5. Povrchová úprava: K dosažení požadované struktury povrchu, čistoty nebo estetického vzhledu lze použít různé techniky.
   • Tryskání abrazivem (kuličkové/ pískové): Pohání médium proti povrchu a vytváří rovnoměrný, čistý a matný povrch. Může pomoci odstranit volně přichycené částice prášku a mírně snížit drsnost povrchu. Výběr média (skleněné kuličky, oxid hlinitý) ovlivňuje výslednou povrchovou úpravu.
   • Obrábění / vibrační úprava: Používá abrazivní média v rotující nebo vibrující misce k odstraňování otřepů z hran a vyhlazování povrchů, zvláště účinné pro dávky menších dílů.
   • Leštění: Mechanickým nebo elektrochemickým leštěním lze dosáhnout velmi hladkého, zrcadlového povrchu (Ra < 0,1 µm) v případech, kdy je zapotřebí extrémně nízký tepelný kontaktní odpor nebo specifické optické vlastnosti.
   • Mikroobrábění: Lze dosáhnout vysoce kontrolovaných povrchových struktur nebo povrchových úprav na specifických plochách.
6. Nátěry a povrchové úpravy: Aplikací nátěrů lze zlepšit specifické vlastnosti.
   • Odolnost proti korozi: Anodizace (pro hliníkové slitiny, jako je AlSi10Mg), niklování nebo specializované barvy/povlaky mohou chránit TIP před korozivními chladicími kapalinami nebo prostředím.
   • Vylepšené tepelné rozhraní: Některé povlaky mohou působit jako integrované TIM nebo zlepšovat smáčivost/adhezi pro následně aplikované TIM.
   • Odolnost proti opotřebení / tvrdost: Pokud dojde k opotřebení TIP, mohou být použity tvrdé povlaky.
7. Čištění a kontrola: Je nezbytné provést závěrečné čištění, aby se odstranily veškeré obráběcí kapaliny, tryskací média nebo nečistoty. Závěrečná kontrola (rozměrová, vizuální, případně NDT) ověřuje, zda díl před odesláním splňuje všechny specifikace.

Příklady pracovních postupů:

• AlSi10Mg TIP (mírná tolerance): Tisk -> odlehčení napětí (na desce) -> elektroerozivní obrábění drátem z desky -> odstranění podpěr (ruční/obráběné) -> tryskání kuličkami -> závěrečná kontrola.
• CuCrZr TIP (High Performance/Tight Tolerance): Tisk -> žíhání roztokem + tepelné zpracování (na desce nebo po vyjmutí v závislosti na namáhání) -> drátové elektroerozivní obrábění z desky -> odstranění podpěr (opatrně, případně obráběné) -> CNC obrábění (kritické plochy pro rovinnost/Ra) -> volitelné leštění/povlakování -> závěrečná kontrola.

Schopnost dodavatele:

Při výběru partner pro AM výrobu kovů, je důležité posoudit jejich schopnosti následného zpracování. Provádějí tyto kroky vlastními silami, nebo spravují síť důvěryhodných subdodavatelů? Společnost Met3dp chápe, že následné zpracování je nedílnou součástí dodávky hotové součásti, a spolupracuje s klienty na definování nejúčinnějšího a nejefektivnějšího postupu, který zajistí, že finální TIP splní všechny funkční požadavky. Řízení celého tohoto pracovního postupu je klíčem k zajištění spolehlivého řešení dodávky komponent pro zákazníky B2B.

Řešení běžných problémů při tisku desek s tepelným rozhraním pro elektromobily

Přestože aditivní výroba kovů otevírá významné možnosti pro tepelné rozhraní pro elektromobily, není bez problémů. Pochopení těchto potenciálních překážek a strategií, které používají zkušení poskytovatelé služeb aditivní výroby jako je Met3dp, je klíčové pro zajištění úspěšných výsledků, zejména při práci s vysoce vodivými materiály a složitými geometriemi.

1. Deformace a zkreslení:

• Výzva: Intenzivní lokalizovaný ohřev laserovým nebo elektronovým paprskem, po kterém následuje rychlé ochlazení a tuhnutí, vytváří během procesu sestavování v dílu značné tepelné gradienty. To vede ke vzniku vnitřních zbytkových napětí. Pokud tato napětí překročí mez kluzu materiálu při zvýšené teplotě, může se díl deformovat, zkroutit nebo dokonce prasknout, zejména u velkých plochých geometrií typických pro některé konstrukce TIP nebo u dílů s výraznými změnami průřezu. Vysoce vodivé materiály, jako je CuCrZr, mohou tento problém ještě zhoršit kvůli rychlejšímu odvodu tepla, což může vést k prudším gradientům.
• Strategie zmírnění dopadů:
  • Optimalizovaná orientace dílu: Orientace dílu tak, aby se minimalizovaly velké rovné plochy rovnoběžné s konstrukční deskou a snížila se koncentrace tepelné hmoty.
  • Robustní podpůrné struktury: Dobře navržené podpěry pevně ukotví díl k sestavovací desce a fungují jako chladiče, což pomáhá efektivněji řídit tepelné gradienty.
  • Optimalizace parametrů procesu: Přizpůsobení výkonu laseru/paprsku, rychlosti skenování a strategie skenování (např. ostrovní skenování, odstupňování vrstev) pro minimalizaci lokálního přehřátí a dosažení rovnoměrnějšího chlazení.
  • Tepelná simulace: Použití simulačních nástrojů ve fázi návrhu k předvídání oblastí náchylných k vysokému namáhání a odpovídající úpravě návrhu nebo strategie podpory.
  • Tepelné ošetření proti stresu: Provedení tohoto kroku ihned po tisku (často ještě na konstrukční desce) má zásadní význam pro uvolnění zbytkových napětí dříve, než způsobí deformace při odstraňování nebo obrábění.

2. Složitost odstranění podpůrné struktury:

• Výzva: Ačkoli je to nezbytné, odstranění podpůrných konstrukcí může být obtížné a časově náročné, zejména ze složitých vnitřních kanálů, choulostivých prvků nebo obtížně přístupných oblastí, které jsou běžné u optimalizovaných konstrukcí TIP. Nesprávné odstranění může poškodit povrch součásti, narušit integritu prvku nebo zanechat zbytkový materiál ovlivňující proudění tekutin nebo tepelný kontakt.
• Strategie zmírnění dopadů:
  • DfAM pro snížení podpory: Navrhování dílů se samonosnými úhly (>45°), kdekoli je to možné, s použitím vnitřních kanálů tvarovaných tak, aby nebylo nutné používat rozsáhlé vnitřní podpěry (např. tvar slzy u vodorovných kanálů).
  • Software pro optimalizaci podpory: Využití pokročilých softwarových funkcí k vytvoření podpěr, které jsou pevné tam, kde je to potřeba, ale mají slabší, snadno porušitelné body připojení k samotnému dílu.
  • Strategická orientace: Volba orientace sestavy, která minimalizuje potřebu podpěr na kritických nebo těžko přístupných plochách.
  • Plánování přístupu: Zajištění fyzického přístupu nebo přístupu pomocí nástrojů pro odstranění podpěry. Někdy se přidávají obětované prvky pouze za účelem zajištění přístupu nebo míst pro zlomení.
  • Výběr metody následného zpracování: Volba vhodných metod odstraňování (ruční, obrábění, případně elektrochemické leštění u některých materiálů/geometrií).

3. Dosažení plné hustoty a zamezení pórovitosti:

• Výzva: Pórovitost (přítomnost malých dutin v tištěném materiálu) je škodlivá jak pro mechanickou integritu, tak pro tepelnou vodivost TIP. Dutiny fungují jako izolátory, brání tepelnému toku a mohou sloužit jako iniciační místa pro vznik trhlin při namáhání. Pórovitost může vznikat z několika zdrojů:
  • Nedostatek fúze: Při nedostatečném příkonu energie nedojde k úplnému roztavení částic prášku nebo ke spojení sousedních vrstev/stop.
  • Pórovitost klíčové dírky: Nadměrná hustota energie vytváří depresi páry, která se stává nestabilní a hroutí se, čímž zachycuje plyn uvnitř tuhnoucího kovu.
  • Pórovitost plynu: Plyn zachycený v částicích prášku nebo rozpuštěný v tavenině se zachytí během rychlého tuhnutí.
• Strategie zmírnění dopadů:
  • Vysoce kvalitní prášek: Základem je použití prášku s vysokou sféricitou, dobrou tekutostí, kontrolovanou distribucí velikosti částic a nízkým obsahem vnitřního plynu (jako je prášek vyráběný pokročilou atomizací Met3dp).
  • Vývoj parametrů procesu: Důsledná optimalizace parametrů (výkon laseru, rychlost skenování, tloušťka vrstvy, rozteč šraf, zaostření) specifických pro materiál a stroj, aby byla zajištěna stabilní dynamika taveniny a úplné tavení. To často zahrnuje rozsáhlý návrh experimentů (DoE).
  • Řízení atmosféry: Udržování inertní plynné atmosféry s vysokou čistotou (např. argonu) v konstrukční komoře minimalizuje oxidaci a kontaminaci, které mohou vést ke vzniku pórů.
  • Kontrola kvality: Využití metod NDT, jako je CT skenování kritických dílů, ke kontrole vnitřní pórovitosti. Měření hustoty (např. Archimédovou metodou) je rovněž běžnou kontrolou kvality.

4. Manipulace s práškem a bezpečnost:

• Výzva: Mnoho kovových prášků používaných v AM, zejména reaktivní materiály, jako jsou slitiny hliníku a titanu, představují bezpečnostní rizika (hořlavost, výbušnost) a zdravotní rizika, pokud se s nimi nezachází správně. Klíčové je také udržení čistoty prášku a zabránění křížové kontaminaci mezi různými typy materiálů. Měděné prášky, ačkoli jsou méně reaktivní než hliník, stále vyžadují opatrné zacházení, aby se zabránilo oxidaci.
• Strategie zmírnění dopadů:
  • Kontrolované prostředí: Manipulace s prášky v kontrolovaných prostorách s vhodným větráním, uzemněním a opatřeními proti jiskření.
  • Osobní ochranné prostředky (OOP): Používání respirátorů, rukavic, ochrany očí a vodivého oděvu.
  • Manipulace s inertním plynem: Prosévání, nakládání a skladování reaktivních prášků pokud možno v atmosféře inertního plynu.
  • Řízení životního cyklu prášku: Přísné postupy pro sledování spotřeby prášku, recyklaci nepoužitého prášku (po kontrole kvality) a prevenci křížové kontaminace prostřednictvím vyhrazeného zařízení nebo důkladných čisticích protokolů. Společnost Met3dp používá přísné bezpečnostní a manipulační protokoly, které jsou v souladu s nejlepšími postupy v oboru.

5. Konzistence a opakovatelnost materiálu:

• Výzva: Pro spolehlivou sériovou výrobu je nezbytné zajistit, aby každý vyrobený TIP měl shodné vlastnosti materiálu (tepelná vodivost, mechanická pevnost) a rozměrovou přesnost, a to jak v rámci jedné konstrukce, tak mezi jednotlivými výrobními dávkami. Odchylky mohou vznikat v důsledku rozdílů v šaržích prášku, odchylky stroje nebo drobných změn prostředí.
• Strategie zmírnění dopadů:
  • Kontrola kvality prášku: Přísné testování a certifikace vstupních šarží prášku. Pečlivé nakládání s recyklovaným práškem.
  • Kalibrace a monitorování strojů: Pravidelná kalibrace laserových systémů, galvanických skenerů a průtoku plynu. Zpětnou vazbu o kvalitě v reálném čase mohou poskytnout techniky monitorování v průběhu procesu (např. monitorování bazénu taveniny).
  • Standardizované postupy: Zavedení spolehlivých standardních operačních postupů (SOP) pro nastavení, provoz a následné zpracování stroje.
  • Statistická kontrola procesu (SPC): Monitorování klíčových procesních proměnných a charakteristik dílů za účelem odhalení a korekce driftu v průběhu času.
  • Sledovatelnost: Vedení podrobných záznamů, které spojují konkrétní díly s dávkami prášku, parametry stroje a záznamy obsluhy.

Zkušení dodavatelé, jako je společnost Met3dp, mohou díky uvědomění si těchto problémů a zavedení důkladných strategií pro jejich zmírnění, které vycházejí z hlubokého porozumění procesům, odborných znalostí v oblasti materiálových věd a přísné kontroly kvality, spolehlivě dodávat vysoce výkonné 3D tištěné desky pro tepelné rozhraní elektromobilů, které splňují náročné požadavky automobilového průmyslu.

Výběr správného partnera pro 3D tisk kovových komponent pro elektromobily

Výběr správného výrobního partnera je stejně důležitý jako zdokonalení designu nebo výběr optimálního materiálu pro tepelné rozhraní EV (TIP). Jedinečné požadavky aditivní výroby, zejména u pokročilých materiálů, jako jsou vysoce vodivé slitiny pro kritické aplikace, vyžadují partnera se specifickými odbornými znalostmi, robustními procesy a závazkem ke kvalitě. Pro inženýry a manažery nákupu, kteří se pohybují v prostředí poskytovatelé služeb v oblasti AM kovů, hodnocení potenciálních partnerů na základě definovaného souboru kritérií je nezbytné pro zmírnění rizik a zajištění úspěchu projektu.

Zde jsou klíčové faktory, které je třeba vzít v úvahu při výběru partnera pro 3D tisk z kovu pro náročné komponenty pro elektromobily, jako jsou TIPy:

1. Odborné znalosti a přístup k materiálům:

• Osvědčené zkušenosti: Má poskytovatel prokazatelné zkušenosti s tiskem konkrétních požadovaných slitin (CuCrZr, AlSi10Mg nebo jiných)? Požádejte o případové studie, vzorové díly nebo katalogové listy materiálů odvozené z jejich procesu.
• Získávání a kontrola kvality prášků: Kde získávají prášky? Provádějí přísnou vstupní kontrolu kvality vlastností prášku (PSD, morfologie, chemie, tekutost)? Partner, jako je Met3dp, který vyrábí vlastní vysoce kvalitní kovové prášky pomocí pokročilých technik, jako je plynová atomizace a PREP, nabízí významné výhody v oblasti konzistence a sledovatelnosti materiálu.
• Šíře portfolia materiálů: Ačkoli vaše aktuální potřeba může být specifická, pracuje partner s různými materiály? To naznačuje širší odborné znalosti a potenciální flexibilitu pro budoucí projekty. Portfolio Met3dp’zahrnuje nejen běžné slitiny, ale také inovativní materiály, jako jsou TiNi, TiTa, TiAl a superslitiny.

2. Technologické schopnosti a kapacita:

• Vhodná technologie tisku: Disponují správnou technologií AM pro vaše potřeby? Laserová fúze v práškovém loži (LPBF/SLM) se běžně používá pro TIP s vysokým rozlišením z AlSi10Mg a CuCrZr. Selektivní tavení elektronovým svazkem (SEBM) může být výhodné pro jiné materiály (jako je čistá měď nebo žáruvzdorné kovy) díky vakuovému prostředí a vyššímu výkonu. Pochopení nuancí různých tiskových metod a je důležité, aby partner disponoval dobře udržovanými stroji průmyslové kvality.
• Kvalita a kalibrace stroje: Jsou jejich stroje od renomovaných výrobců? Jaké jsou jejich plány kalibrace a údržby? Důslednost začíná u spolehlivého vybavení.
• Vytváření objemu a kapacity: Dokážou jejich stroje pojmout velikost vašeho TIP? Mají dostatečnou kapacitu strojů, aby zvládli vaše objemy prototypů a případně je rozšířili na malosériovou až středně velkosériovou výrobu a dodrželi požadované dodací lhůty?

3. Zkušenosti a porozumění oboru:

• Zkušenosti v automobilovém průmyslu: Rozumí poskytovatel specifickým požadavkům a očekáváním kvality v automobilovém průmyslu? Znalost pojmů jako PPAP (Production Part Approval Process), APQP (Advanced Product Quality Planning) a sledovatelnost je výhodná, i když plná certifikace IATF 16949 není pro dodavatele prototypů vždy povinná.
• Znalosti aplikací tepelného managementu: Pracovali již dříve na podobných součástech tepelného managementu? Pochopení funkčních požadavků TIP nad rámec pouhé geometrie je přínosné pro spolupráci a řešení problémů v oblasti DfAM.

4. Systémy řízení kvality:

• certifikace: Je poskytovatel certifikován podle příslušných norem kvality, například ISO 9001? Zatímco certifikace IATF 16949 je běžnější pro velkosériové dodavatele v automobilovém průmyslu, ISO 9001 prokazuje základní závazek k dodržování procesů kvality, dokumentace a neustálého zlepšování, což je klíčové pro spolehlivost Dodávky komponentů B2B.
• Řízení procesu: Jaká opatření přijímají k monitorování a řízení tiskového procesu v reálném čase (např. monitorování taveniny, údaje ze senzorů)?
• Kontrolní schopnosti: Mají potřebné metrologické vybavení (souřadnicové měřicí stroje, 3D skenery, profilometry) a možnosti NDT (např. CT skenování pro interní kontrolu) vlastní nebo prostřednictvím certifikovaných partnerů?

5. Možnosti následného zpracování:

• Komplexní služby: Jak již bylo řečeno, následné zpracování je velmi důležité. Nabízí partner požadované kroky (tepelné zpracování, obrábění, povrchovou úpravu, povrchovou úpravu) přímo ve firmě? Pokud ne, má dobře řízenou a kvalifikovanou síť subdodavatelů? Jedno kontaktní místo, které řídí celý pracovní postup, zjednodušuje zadávání zakázek a zajišťuje odpovědnost.
• Odbornost v oblasti dokončovacích prací: Mají specifické odborné znalosti v oblasti požadovaného následného zpracování, jako jsou složité cykly tepelného zpracování CuCrZr nebo přesné obrábění dílů AM?

6. Technická podpora a spolupráce:

• Pomoc DfAM: Nabízí poskytovatel podporu při návrhu nebo konzultace, které vám pomohou optimalizovat návrh TIP pro aditivní výrobu, zlepšit výkon a snížit náklady?
• Vývoj aplikací: Jsou ochotni spolupracovat na vývoji nových řešení nebo řešení náročných požadavků? Společnost Met3dp je hrdá na to, že spolupracuje s organizacemi, aby urychlila jejich digitální transformace výroby.
• Komunikace a řízení projektů: Je jejich komunikace jasná, vstřícná a profesionální? Mají efektivní procesy řízení projektů?

7. Doba realizace, škálovatelnost a náklady:

• Reálná doba dodání: Poskytují jasné a realistické odhady doby realizace cenové nabídky, výroby a následného zpracování?
• Škálovatelnost: Mohou podpořit váš projekt od počátečních prototypů až po případnou malosériovou nebo středně velkou výrobu? Jaký je jejich plán pro případné navýšení kapacity?
• Transparentní ceny: Je jejich cenová struktura jasná a podrobná? Nabízejí konkurenceschopné ceny vzhledem ke kvalitě a poskytovaným službám? (Více informací o nákladech naleznete v další části).

Otázky pro potenciální partnery Metal AM:

• Můžete uvést příklady/případové studie podobných dílů, které jste vytiskli z [konkrétní materiál, např. CuCrZr]?
• Jaký je váš postup pro kvalifikaci a testování příchozích kovových prášků?
• Popište svůj systém řízení kvality a příslušné certifikace.
• Jaké stroje AM provozujete a jaké jsou jejich výrobní objemy a typické tolerance?
• Jaké kroky následného zpracování provádíte sami a jaké subdodavatelsky?
• Jak zajistíte hustotu dílů a zvládnete zbytkové napětí?
• Můžete poskytnout DfAM zpětnou vazbu k našemu prvotnímu návrhu?
• Jaké jsou vaše standardní dodací lhůty pro prototypy a malosériovou výrobu?
• Jaké kontrolní metody budou použity k ověření našich požadavků na díly?
• Dokážete doložit dokumentaci PPAP, pokud je vyžadována pro budoucí fáze výroby?

Výběr správného partnera je investicí do úspěchu vašeho projektu. Schopný, komunikativní a na kvalitu zaměřený dodavatel, jako je Met3dp, s integrovanými schopnostmi zahrnujícími materiály, zařízení a odborné znalosti v oblasti aplikací, může významně snížit riziko zavedení technologie AM pro kritické komponenty, jako jsou desky tepelného rozhraní pro elektromobily.

Pochopení nákladových faktorů a dodacích lhůt pro 3D tištěné TIPy

Pro manažery nákupu a inženýry, kteří posuzují proveditelnost použití aditivní výroby kovů pro desky tepelného rozhraní pro elektromobily, je zásadní jasná představa o struktuře nákladů a typických dodacích lhůtách. Ačkoli AM nabízí významné výkonnostní a konstrukční výhody, její nákladová dynamika se liší od tradičních výrobních metod.

Rozdělení složek nákladů při výrobě kovů AM:

Konečnou cenu 3D tištěného kovového TIP ovlivňuje několik klíčových faktorů:

1. Náklady na materiál:
   • Cena prášku: Náklady na kilogram kovového prášku. Vysoce výkonné slitiny jako CuCrZr jsou obecně výrazně dražší než běžnější slitiny jako AlSi10Mg nebo nerezové oceli.
   • Část Objem/hmotnost: Množství prášku přímo spotřebovaného na výrobu dílu.
   • Objem podpůrné struktury: Prášek použitý na podpůrné konstrukce také přispívá k nákladům na materiál, ačkoli nepoužitý prášek v konstrukční komoře je z velké části recyklovatelný.
   • Rychlost obnovy prášku: Určité procento recyklovaného prášku se často mísí s původním práškem, což časem ovlivňuje celkové náklady na materiál.
2. Čas stroje (amortizace & provoz):
   • Doba výstavby: To je často největší příčinou nákladů. Závisí na:
     • Část Výška: Určuje především počet vrstev, a tím i dobu trvání sestavení. Vyšší díly se staví déle.
     • Objem dílu/plocha na vrstvu: Ovlivňuje čas strávený skenováním jednotlivých vrstev.
     • Složitost: Složité prvky nebo rozsáhlé podpůrné konstrukce mohou prodloužit dobu tisku.
     • Efektivita hnízdění: Tisk více dílů současně v jednom sestavení (nesting) může snížit náklady na jeden díl díky optimalizaci využití stroje.
   • Amortizace nákladů na stroje: Průmyslové systémy AM pro obrábění kovů představují významnou kapitálovou investici a tomu odpovídá i jejich hodinová provozní sazba.
   • Spotřební materiál: Náklady spojené s filtry, inertním plynem (argon/dusík) a opotřebením stroje.
3. Náklady na pracovní sílu:
   • Nastavení a demontáž: Příprava souboru pro sestavení, nastavení stroje, vkládání prášku, vyjmutí hotové sestavy a počáteční čištění.
   • Práce po zpracování: Ruční odstraňování podpěr, seřizování a obsluha obrábění, dokončovací práce (tryskání, leštění), kontrola. To může představovat významnou složku nákladů, zejména u složitých dílů nebo dílů vyžadujících rozsáhlé dokončovací práce.
4. Náklady na následné zpracování:
   • Tepelné zpracování: Náklady spojené s časem pece, spotřebou energie a řízenou atmosférou (vakuum/inertní plyn).
   • Obrábění: Náklady vycházejí z času stráveného na CNC stroji, nástrojů a programování/nastavení.
   • Povrchová úprava/povlak: Náklady spojené se specifickými úpravami, jako je tryskání, leštění, pokovování nebo eloxování.
5. Zajištění kvality a kontrola:
   • Metrologie: Náklady na měření pomocí souřadnicového měřicího stroje, 3D skenování nebo kontrolu drsnosti povrchu.
   • NDT: Náklady na nedestruktivní testování, jako je CT skenování, pokud je vyžadováno pro kritickou vnitřní kontrolu.
   • Dokumentace: Náklady spojené s vytvářením zpráv o kvalitě nebo certifikací.
6. Design Complexity & DfAM:
   • Požadavky na podporu: Konstrukce vyžadující rozsáhlé nebo obtížně odstranitelné podpěry zvyšují náklady na materiál i pracnost následného zpracování. Optimalizace DfAM může tyto náklady výrazně snížit.
   • Tloušťka stěny/vlastnosti: Velmi jemné rysy nebo tenké stěny mohou vyžadovat nižší rychlost tisku nebo specifické parametry, což může prodloužit čas stroje.

Faktory ovlivňující dobu dodání:

Dodací lhůta se vztahuje k celkové době od zadání objednávky (nebo předložení RFQ) do obdržení hotových dílů. Mezi hlavní ovlivňující faktory patří:

• Čas nabídky: Poskytovatelé potřebují čas na analýzu návrhu, naplánování rozvržení stavby, odhad následného zpracování a vypracování nabídky (obvykle 1-5 pracovních dnů).
• Design Review & Příprava: Čas na případnou zpětnou vazbu DfAM, přípravu souborů (generování podpory, krájení) a plánování sestavení.
• Fronta/dostupnost stroje: Aktuální vytížení poskytovatele a dostupnost strojů významně ovlivňují, kdy lze sestavení spustit. To je často nejproměnlivější faktor.
• Doba tisku: Skutečná doba trvání procesu sestavování AM (může se pohybovat od hodin u malých dílů až po několik dní u velkých nebo složitých sestav).
• Doba následného zpracování: Může se výrazně lišit v závislosti na požadovaných krocích. Cykly tepelného zpracování trvají hodiny, rozsáhlé CNC obrábění může trvat hodiny nebo dny a složité odstraňování podpěr přidává čas. Externě zadávané kroky přidávají čas na logistiku. (Může se pohybovat od 1-2 dnů do 1-2 týdnů nebo více).
• Kontrola kvality a přeprava: Čas na závěrečnou kontrolu, balení a přepravu.

Typické časové plány (odhady):

• Prototypy (1-10 kusů): Často 1-4 týdny, ve velké míře v závislosti na složitosti, materiálu, následném zpracování a aktuální frontě. Za vyšší cenu mohou být k dispozici zrychlené služby.
• Série s malým objemem (10-100 a více kusů): Dodací lhůty se mohou prodloužit na 4-8 týdnů nebo více, což vyžaduje vyhrazený strojní čas a případně dávkové zpracování prostřednictvím následných kroků. Plánování a předvídání jsou zde klíčové.

Strategie pro optimalizaci nákladů a doby realizace:

• Design pro aditivní výrobu (DfAM): Nejúčinnější strategií je optimalizace konstrukce s cílem snížit počet podpěr, minimalizovat konstrukční výšku (pokud je to možné), konsolidovat díly a usnadnit následné zpracování.
• Výběr materiálu: Vyberte cenově nejvýhodnější materiál, který splňuje požadavky na výkon (např. použijte AlSi10Mg, pokud není nezbytně nutná extrémní vodivost CuCrZr).
• Dávkování objednávek: Objednání více dílů (stejných nebo různých), které mají být vytištěny ve stejném sestavení (nesting), zlepšuje využití stroje a často snižuje náklady na jeden díl.
• Uvolněte tolerance/dokončení: Přísné tolerance a jemné povrchové úpravy zadávejte pouze u kritických prvků, kde je to funkčně nutné; zmírnění požadavků na nekritické oblasti snižuje potřebu následného zpracování.
• Jasná komunikace: Poskytnutí jasných výkresů (GD&T), specifikací a požadavků předem zefektivňuje proces tvorby cenových nabídek a výroby.

Zkušené poskytovatelé řešení AM pro kovy jako Met3dp pracují se zákazníky transparentně a poskytují jim podrobné nabídky s uvedením nákladů a reálných termínů realizace. Mohou také nabídnout cenné poradenství v oblasti DfAM, které pomůže optimalizovat návrhy s ohledem na efektivitu nákladů bez snížení výkonu.

Často kladené otázky (FAQ) o 3D tištěných deskách tepelného rozhraní pro elektromobily

Zde jsou odpovědi na některé časté otázky, které mají inženýři a manažeři veřejných zakázek, když zvažují aditivní výrobu kovů pro tepelné rozhraní pro elektromobily:

Otázka 1: Jaká je tepelná vodivost 3D tisku CuCrZr nebo AlSi10Mg v porovnání s jejich protějšky vyrobenými z kovu nebo odlitky?

• A1: Tepelná vodivost kovů vyrobených metodou AM může být velmi podobná, ale často je o něco nižší než u jejich protějšků vyrobených metodou tváření. To je způsobeno především jedinečnou mikrostrukturou vytvořenou rychlým procesem tuhnutí v AM, která obvykle vede k velmi jemným zrnům a potenciálně určité mikrosegregaci nebo zbytkové pórovitosti (ačkoli se běžně dosahuje vysoké hustoty dílů >99,5 %).
  • Pro AlSi 10Mg, vodivost po vytištění by se mohla pohybovat kolem 120-130 W/(m-K) a po vhodném tepelném zpracování by se mohla zvýšit na 150-180 W/(m-K) (blíží se hodnotám odlitků, ale obvykle je nižší než u kovaných slitin, jako je 6061-T6).
  • Pro CuCrZr, dosažení vysoké vodivosti závisí do značné míry na optimalizovaných parametrech tisku správné tepelné zpracování po tisku (řešení a stárnutí). Správně zpracovaný AM CuCrZr může dosahovat tepelné vodivosti až 300-340 W/(m-K), která je velmi konkurenceschopná a často překonává slitiny lité mědi, i když je možná o něco nižší než ~390 W/(m-K) čisté tepané mědi (C11000).
  • AM umožňuje složité geometrie, které zvýšení celkového tepelného výkonu (např. prostřednictvím vnitřních kanálků), což často převáží drobné rozdíly ve vodivosti materiálu ve srovnání s jednoduššími tvary vyrobenými z tepaných materiálů.

Otázka 2: Jaká jsou typická omezení velikosti pro tisk velkých desek s tepelným rozhraním EV?

• A2: Omezení velikosti jsou dána objemem konstrukce používaných průmyslových strojů AM na kovy. Běžný objem sestavení pro systémy LPBF se pohybuje od středních formátů (např. 250 x 250 x 300 mm) až po větší formáty (např. 400 x 400 x 400 mm, 500 x 280 x 360 mm nebo u některých systémů dokonce až 800 mm v jednom rozměru). Met3dp nabízí tiskárny s špičkové objemy tisku vhodné pro mnoho automobilových komponentů. V případě TIP, které přesahují rozměry jedné konstrukce, lze někdy konstrukce rozdělit na segmenty a spojit je při následném zpracování (např. svařováním nebo pájením), což však zvyšuje složitost. Hlavním problémem u velmi velkých dílů AM je zvládání tepelného namáhání/deformace během sestavování a manipulace během následného zpracování.

Otázka 3: Mohou být prvky, jako jsou integrované kryty senzorů nebo konektory pro kapaliny, vytištěny přímo do TIP?

• A3: Rozhodně. To je klíčová síla aditivní výroby - konsolidace dílů. Funkce jako např:
  • Pouzdra nebo montážní body pro teplotní nebo tlaková čidla.
  • Integrované vstupní/výstupní porty nebo rozdělovače kapalin (případně se závity přidanými při následném zpracování nebo navržené pro specifické šroubení).
  • Montážní držáky nebo vyrovnávací prvky.
  • Turbulátory proudění nebo vnitřní žebra v kanálech. mohou být často přímo začleněny do konstrukce TIP a vytištěny jako jediný monolitický díl. Tím se snižuje počet dílů, eliminují se montážní kroky, minimalizují se potenciální cesty úniku (u konektorů pro kapaliny) a může to vést k celkově kompaktnějším a efektivnějším systémům.

Otázka 4: Je metoda AM vhodná pro velkosériovou výrobu desek tepelného rozhraní pro elektromobily?

• A4: Vhodnost technologie AM pro velkosériovou výrobu (což v automobilovém průmyslu obvykle znamená desítky nebo stovky tisíc dílů ročně) se vyvíjí.
  • Současný stav: Metal AM vyniká výroba prototypů, zakázkových dílů, překlenovací výroba a nízké až střední série (stovky až tisíce dílů ročně), zejména u součástí s vysokou geometrickou složitostí, kde volnost návrhu přináší významnou přidanou hodnotu (například TIPy s optimalizovanými vnitřními kanály). Pro tyto aplikace může být AM cenově konkurenceschopná nebo dokonce levnější než tradiční metody vyžadující drahé nástroje.
  • Výzvy spojené s velkým objemem: Pro jednoduchý TIP geometrie vyráběné ve velmi velkých objemech, tradiční metody, jako je lisování nebo odlévání, si v současné době často zachovávají nákladovou výhodu díky rychlejším časům cyklu na jeden díl, jakmile je vytvořen nástroj.
  • Budoucí trendy: Rychlost tisku AM se však zvyšuje, náklady na stroje se postupně snižují a multilaserové systémy zvyšují produktivitu. S tím, jak technologie dozrává a zvyšuje se automatizace, posouvá se ekonomický přechodový bod pro výrobu ve větších objemech, čímž se AM stává stále životaschopnějším pro sériovou výrobu v automobilovém průmyslu, zejména tam, kde jsou její výkonnostní výhody rozhodující. Společnost Met3dp se aktivně podílí na zvyšování produktivity a spolehlivosti systémů AM pro zpracování kovů.

Otázka 5: Jaké kroky k zajištění kvality jsou podniknuty, aby byla zaručena výkonnost 3D tištěných TIP?

• A5: Zajištění kvality a výkonnosti kritických součástí, jako jsou TIP, vyžaduje mnohostranný přístup k zajištění kvality v celém výrobním procesu:
  • Kontrola prášku: Certifikace chemického složení, distribuce velikosti částic, morfologie a tekutosti pro každou šarži prášku. Řízení opětovného použití/recyklace prášku.
  • Monitorování procesů: Monitorování klíčových parametrů v reálném čase (výkon laseru, vlastnosti taveniny, hladina kyslíku, teplota).
  • Kontroly hustoty: Měření hustoty dílu (např. Archimédova metoda), aby se zajistila minimální pórovitost (obvykle se usiluje o >99,5 % hustoty). U kritických dílů lze k vizualizaci vnitřní pórovitosti použít CT vyšetření.
  • Rozměrová kontrola: Ověření geometrických rozměrů a tolerancí pomocí souřadnicových měřicích strojů nebo 3D skenování, porovnání s původním modelem CAD a specifikacemi GD&T.
  • Měření povrchové úpravy: Použití profilometrů k potvrzení, že hodnoty Ra splňují požadavky na kritické povrchy.
  • Zkoušky vlastností materiálů: U kritických aplikací nebo při ověřování procesu lze na reprezentativních vzorcích vytištěných spolu s díly provést mechanické zkoušky (zkoušky v tahu, tvrdost) a případně zkoušky tepelné vodivosti.
  • Sledovatelnost: Udržování záznamů, které spojují každý díl s konkrétní dávkou prášku, strojem, parametry sestavení a kroky následného zpracování. Met3dp zavádí komplexní postupy kontroly kvality přizpůsobené požadavkům průmyslových odvětví, jako je automobilový, letecký a zdravotnický průmysl, a zajišťuje tak spolehlivé a vysoce výkonné komponenty.

Závěr: Urychlení inovací v oblasti tepelného managementu elektromobilů pomocí aditivní výroby kovů

Neustálá snaha o zvýšení výkonu, prodloužení dojezdu, rychlejší nabíjení a zvýšení bezpečnosti elektromobilů závisí především na efektivním tepelném managementu. Desky tepelného rozhraní (Thermal Interface Plates, TIP) jsou v tomto systému životně důležitými součástmi, které fungují jako důležité můstky pro odvod tepla z baterií, výkonové elektroniky a motorů. S rostoucí hustotou výkonu tradiční výrobní metody často neumožňují vytvořit TIP s geometrickou složitostí a vlastnostmi materiálu potřebnými pro optimální výkon.

Aditivní výroba kovů se stala mocným nástrojem, který nabízí transformační výhody pro vývoj a výrobu TIP pro elektromobily. Tím, že se konstruktéři zbavují konvenčních omezení, AM usnadňuje:

• Bezprecedentní svoboda designu: Vytváření složitých vnitřních chladicích kanálů, konformních povrchů a lehkých mřížkových struktur optimalizovaných pro přenos tepla.
• Vylepšený tepelný výkon: Maximalizace odvodu tepla díky optimalizované geometrii a použití vysoce vodivých slitin, jako je např CuCrZr a AlSi 10Mg.
• Konsolidace částí: Integrace více funkcí do jediné součásti, což snižuje složitost montáže a potenciální místa poruch.
• Rychlé inovační cykly: Urychlení tvorby prototypů a iterací návrhu pro rychlejší vývoj špičkových tepelných řešení.

Úspěšná implementace technologie AM pro tyto náročné aplikace závisí nejen na samotné technologii, ale v rozhodující míře na výběru materiálů a odborných znalostech výrobního partnera. Základem jsou vysoce kvalitní kovové prášky s konzistentními vlastnostmi, zatímco optimalizované tiskové procesy a důsledné postupy následného zpracování jsou nezbytné pro využití plného potenciálu slitin, jako jsou CuCrZr a AlSi10Mg. Zvládnutí problémů s deformacemi, odstraňováním podpěr a dosahováním přesnosti vyžaduje hluboké znalosti procesů a důkladnou kontrolu kvality.

Výběr partnera s prokazatelnými odbornými znalostmi v oblasti materiálových věd, pokročilých systémů AM, komplexních schopností následného zpracování a důkladného porozumění požadavkům cílového odvětví je prvořadý. Met3dp stojí v čele tohoto technologického vývoje a nabízí kompletní ekosystém pro aditivní výrobu kovů. Jak je podrobně popsáno na našem O nás poskytujeme:

• Pokročilé kovové prášky: Vysoce kvalitní sférické prášky, včetně vysoce vodivých slitin, vyráběné pomocí špičkových technologií plynové atomizace a PREP.
• Přední tiskárny v oboru: Nejmodernější systémy SEBM a LPBF, které poskytují výjimečnou přesnost, spolehlivost a objem konstrukce.
• Komplexní řešení: Odborná podpora v oblasti DfAM, vývoje aplikací, optimalizace procesů a správy po zpracování.
• Osvědčené odborné znalosti: Desítky let společných zkušeností s kritickými aplikacemi v letectví, zdravotnictví, automobilovém průmyslu a průmyslové výrobě.

Díky spolupráci se společností Met3dp mohou společnosti využít plnou sílu aditivní výroby kovů k vývoji a výrobě tepelných rozhraní nové generace pro elektromobily, posunout hranice tepelného managementu a urychlit přechod na udržitelnou elektrickou budoucnost.

Jste připraveni optimalizovat tepelný management svého elektromobilu pomocí 3D tisku z kovu? Kontaktujte společnost Met3dp ještě dnes, abyste prodiskutovali požadavky vašeho projektu a zjistili, jak mohou naše pokročilé materiály a výrobní řešení podpořit inovace ve vaší organizaci.