TWI: CoreFlow™

Webinar: CoreFlow™ - Eine neuartige, unter die Oberfläche gehende Materialbearbeitungs­technologie


Webinar: CoreFlow™  - Eine neuartige, unter die Oberfläche gehende Materialbearbeitungs­technologie

46:32 min, © TWI Ltd, 7. Mai 2020

In diesem eine ¾ Stunde langen Webinar vom 6. Mai 2018 geben João Gandra, Nick Edge und Dr. Steve Dodds vom TWI auf Englisch einen Einblick in die Vorteile und die industriellen Anwen­dungs­möglichkeiten von CoreFlow™.


Inhaltsverzeichnis (00:01)

  • Einführung (00:28)
  • Fragestellung (04:01)
  • FSW-Varianten (06:03)
  • FSW-Wärmetauscher (07:32)
  • CoreFlow™ Konzept (09:02)
  • Verfahrensvorteile (11:55)
  • Technologie-Reifegrad (13:01)
  • Erste Versuche (13:59)
  • Leck- und Druckproben (17:33)
  • Industrielle Demos (18:14)
    • Mäander (18:14)
    • Helix (18:46)
  • Stand der Technik (19:38)
  • Technologiereifegrad (20:35)
  • Anwendungsmöglichkeiten (21:11)
  • Know-how-Transfer (23:18)
  • Wertschöpfungspotenzial (24:33)
  • Fragen und Antworten (27:32)

Einführung (00:28)

  • Für dieses Webinar haben sich 400 Teilnehmer aus 25 Ländern und vielen Industriesektoren angemeldet.
  • Nick Edge und seine Kollegen glauben, dass diese Technologie weltweit für die verschiedensten Branchen relevant ist.
  • Es ist schwer, vorherzusagen, wann und wo es zum ersten Mal eingesetzt wird, und das macht das Ganze wirklich spannend.
  • Normalerweise könnte das Verfahren in Cambridge vorgeführt werden aber, da die Welt zurzeit (während der COVID-19-Ausgangsbeschränkungen) etwas anders tickt, wird dieses neue Produkt vorzugsweise in Form eines Webinars vorgestellt.
  • TWI hat weltweit etwa 700 Mitarbeiter, darunter 5 Forschungszentren in Großbritannien und 9 internationalen Trainings-Einrichtungen. 
  • TWI dient seinen Mitgliedern in allen erdenklichen Weisen: Vom Konzept bis zur Vermarktung und macht das seit seiner Gründung in den 1940er Jahren.
  • in den 1990er Jahren wurde Rührreibschweißen am TWI erfunden. Es wurde seitdem weltweit industrialisiert und wird zur Produktion von Schiffen über Raketen, Züge und Autos bis hin zu Computern eingesetzt. 
  • Wer weiß, wohin wir mit CoreFlow™ in den nächsten Jahren gehen werden?
  • Falls Sie Fragen haben, können Sie diese gerne jederzeit auch nach dem Webinar auf Englisch an coreflow@twi.co.uk richten (oder auch gerne auf Deutsch an stephan.kallee@alustir.com).

Fragestellung (04:01)

  • Nach einer kurzen Umschalt-Pause begrüßt João Gandra, der Erfinder von CoreFlow™ die Webinar-Teilnehmer aus seinem Home Office.
  • Es ist die perfekte Zeit für dieses Webinar, während die Welt entschleunigt und nach erfindungsreichen Lösungen für die Zukunft sucht.
  • Die meisten Teilnehmer interessieren sich sicher dafür, die Anzahl der Einzelteile eines Produktes zu reduzieren, die Herstellungsverfahren zu vereinfachen und die Materialgesamtkosten zu reduzieren. Das ist genau das, was CoreFlow™ bietet.
  • Als Ingenieure wollen wir wissen, was CoreFlow™ ist und wie es funktioniert, welchen Technologie-Reifegrad es hat, wofür es eingesetzt werden kann und was seine Vor- und Nachteile sind.

FSW-Varianten (6:03)

  • Es handelt sich um eine Variante des Rührreibschweißens, einem unterhalb in der festen Phase (also unterhalb des Schmelzpunkts) eingesetzten Fügeverfahrens:
    • Das sich drehende Werkzeug ist profiliert, um die Werkstoffe der Bauteile zusammenzumischen, während es im Fügespalt verfährt.
    • Es gibt bereits viele Prozessvarianten, von denen viele vom TWI eingeführt wurden und die jetzt von vielen Organisationen und Industriefirmen eingesetzt werden:
      • Hochtemperaturwerkstoffe
      • Werkstoffe mit schlechter Wärmeleitfähigkeit
      • Selektive Bearbeitung
      • Beidseitige Bearbeitung
      • 3D-Roboter-Bearbeitung
      • Kehlnähte
      • Additive Fertigung
      • Rührreibpunktschweißen
      • Dicke Querschnitte
    • CoreFlow™ bildet einen der Äste dieser Entwicklung, aber es zielt auf eine unterschiedliche Funktionalität ab.

FSW-Wärmetauscher (7:31)

  • Das Herstellen von Wärmetauschern ist zurzeit eine der vielversprechendsten Anwendungen des Rührreibschweißverfahrens mit folgendem Arbeitsablauf: 
    • Fräsen, Extrudieren oder Gießen von Nuten bzw. Kanälen in die Grundplatte
    • Fräsen oder Gießen eines Deckels
    • Rührreibschweißen des Deckels auf die Grundplatte
    • Mechanische Nachbearbeitung, falls erforderlich
  • Wie könnte dieses Verfahren vereinfacht werden?

CoreFlow™ Konzept (09:02)

  • Das sich drehende Werkzeug sieht ähnlich aus wie ein FSW-Werkzeug und hat zwei Aufgaben:
    • Erzeugung eines visko-plastischen Materialzustandes im Werkstück
    • Ein Teil dieses erweichten Materials wird durch das Werkzeugsystem abgeführt, so dass es aus dem Werkstück entfernt wird
    • Damit wird ein kontinuierlicher Hohlraum geschaffen
    • Ähnlich wie bei Fräsen wird Material entfernt, aber, und das ist das Wesentliche an diesem Konzept, es bleibt einiges Material zurück, um den zuvor geschaffenen Kanal wieder (gas- und flüssigkeitsdicht) abzudecken.
    • Das ist ein zum Patent angemeldetes Konzept und TWI ist bereit, es - so wie früher schon das FSW-Verfahren - durch Zahlung einer Lizenzgebühr für die Nutzung lizenzieren.

Computer-Animation (10:07)

In diesem auch im Webinar gezeigten computer-animierten Stummfilm wird die Bearbeitung einer 5 mm dicken Aluminium­platte visualisiert. Man sieht, wie der Kanal durch die Schaffung eines Hohlraumes geformt wird und wie das überschüssige Material aus dem Werkzeug extrudiert wird.

1:41 min, © TWI Ltd, 6. Mai 2020


Das extrudierte Material nimmt die Form der Extrusionsdüse an, so dass mit diesem Verfahren auch kleine Strangpressprofile erzeugt werden können.

 

Das Vefahren kann zum Beispiel zum Herstellen einer Kühlplatte verwendet werden, die sowohl eine strukturelle als auch eine kühlende Funktion übernimmt.

   

Verfahrensvorteile (11:56)

  • Flexibilität
  • Konsolidierung
  • Einfachheit
  • Kosteneinsparung

Technologie-Reifegrad (13:01)

  • Die bisherigen Arbeiten wurden auf einer speziell zum Rührreibschweißen entwickelten Portal-FSW-Maschine durchgeführt. 
  • CoreFlow™ kann aber auch auf konventionellen FSW-Maschinen und mit Robotern durchgeführt werden.
  • Mit einem Universalkopf, der zurzeit entwickelt wird, sollen in Zukunft auch Fräsmaschinen für CoreFlow™ umgerüstet werden können. 

Erste Versuche (13:59)

Die ersten Versuche wurden in 15 mm dicken Aluminiumplatten aus AlMgSi-Legierungen der 6000er Serie durchgeführt. Die Hauptparameter sind Drehzahl (in U/min), Vorschub (in mm/min) und die Werkzeuggestaltung.

   

Analyse der Kanalgeometrie (15:25)

Anhand einer Röntgen-Computertomographie kann die Geometrie der Kanäle visualisiert werden. Es wird zurzeit untersucht, wie wiederholgenau die Oberflächenrauheit der vier Wände des Kanals ist. Diese kann vorteilhaft sein, um Turbulenzen im Kühlmedium erzeugen. Falls eine möglichst glatte Oberfläche gewünscht wird, ist eine Nachbearbeitung durch eine abrasive Paste denkbar. Ein makrographischer Querschnitt zeigt die Abmessungen eines typischen CoreFlow™-Kanals.

   

Leck- und Druckproben (17:33)

Die hergestellten Muster min 80 mm Länge überstanden Helium-Lecktests mit einer Leckrate von 3,0 x 10-9 mbar·\ell /s bis 8,0 x 10-9 mbar·\ell /s und Druckproben mit 9 bar Druck.

 

Industrielle Demos (18:14)

Mäander (18:14)

  • Thermographie eines Mäanders in einer 10 mm dicken AA6082-T6 Platte (Werkstoff-Nr. 3.2315, DIN-Kurzname: AlMgSi1, EN-Kurzname: AlSiMgMn)
    •  Gesamtlänge des Kühlkanals: ca 1m
    • Durchschnittlicher Querschnitt des Kühlkanals: 20 mm²
    • Kanalvolumen: ca 20.000 mm³

Helix (18:46)

  • Rohrabmessungen
    • Durchmesser: ø250 mm
    • Länge: 300 mm
    • Wandstärke: 50 mm
  • Kühlkanalgeometrie:
    • Einfache Helix
    • Vierfache Helix

Stand der Technik (19:38)

  • Machbarkeit in üblichen Aluminiumlegierungen
  • Dicke von 5 bis 50 mm
  • Kanal-Querschnittsflächen von 3 bis 25 mm²
  • Vorschubgeschwindigkeit bis 200 mm/min (Tendenz: von Tag zu Tag steigend)
  • Leck- und Druckproben bestanden
  • Flache und röhrenförmige Strukturen
  • Linear, 2D-Kurven und Helix machbar
  • Die vorübergehende Umrüstung eines CNC-Bearbeitungszentrums und Roboteranwendungen werden entwickelt 

Technologiereifegrad (20:35)


Nachgewiesener Technology Readiness Level (nach NASA):
TRL 1: Beobachtung und Beschreibung des Funktionsprinzips
TRL 2: Beschreibung der Anwendung einer Technologie
TRL 3: Nachweis der Funktionstüchtigkeit einer Technologie
TRL 4: Versuchsaufbau im Labor 
    
TRL 1: 
TRL 2: 
TRL 3: 
TRL 4: 


Nächste Schritte:

TRL 5: Versuchsaufbau in Einsatzumgebung

TRL 6: Prototyp in Einsatzumgebung

TRL 7: Prototyp im Einsatz 

TRL 8: Qualifiziertes System (Funktionstüchtigkeit im Einsatzbereich)

TRL 9: Qualifiziertes System (erfolgreicher Einsatz) 



Anwendungsmöglichkeiten (21:11)

  • Thermomanagement (insbesondere in der Elektromobilität)
    • Batteriesysteme
    • Ladegeräte
    • Hochleistungselektronik etc
  • Luft- und Raumfahrt
    • Tragflächen-Enteisung
  • Verteidigungstechnik
    • Tarnen und Täuschen
    • Erzeugung unerwarteter Thermographiesignaturen) 
  • Produktion von Drähten und Extrusionen als Hauptprodukt
    • Schweißzusatzdraht
    • Spulen für die additive Fertigung (Direct Energy Deposition, DED)
    • Extrusion von besonderen Querschnitten

Know-how-Transfer (23:18)

  • Besprechen und Entwickeln der Anwendung und Fertigungsabfolge
  • Adressieren der funktionellen Anforderungen
  • Falls erforderlich: Experimentelles Versuchsprorgamm  
  • industrielle Anwendung 
  • Beratung bezüglich Steigerung des Fertigungsreifegrads
  • Validierung

Wertschöpfungspotenzial (24:33)

  • Nutzung der Verfahrensvorteile:
    • Hohe Flexibilität ohne variantenspezifische Werkzeugkosten
    • Konsolidierung der Systeme (z.B. kleinerer Bauraum, geringere Teilezahl)
    • Einfachheit (geringere Fertigungskomplexität)
    • Kosteneinsparung (Senkung der Material- und Fertigungskosten, z.B. durch Nutzung von bestehenden Maschinen)
  • Industrielles Fallbeispiel: Flüssig gekühlter Wärmetauscher (25:35)

    
Traditionelle Fertigungsverfahren:
CoreFlow™:
Einsparung:

Materialbedarf

125.000 mm³

97.500 mm³

20% gespart 

Abfall

35.804 mm³

7.804 mm³

78% gespart



Fragen und Antworten (27:32)

Ab 27:32 min beantworten Dr. Steve Dodds und seine Kollegen die von während dem Webinar gestellten Fragen, die hier allerdings nicht wiedergegeben werden.

   

Weblinks

Weitere Informationen

AluStir ist TWIs vertraglich benannte Agentur und Handelsvertretung für:

  • Süddeutschland (Baden-Württemberg, Bayern, Hessen, NRW, Rheinland-Pfalz, Saarland, Sachsen und Thüringen)
  • Österreich
  • Schweiz
  • Liechtenstein 
Süddeutschland, Österreich, Schweiz und Liechtenstein, in dem TWIs Vertrieb durch AluStir erfolgt

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