Additive Fertigung Konstruktive Freiheiten bei 3D-gedruckten Schmelzekühlern

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Ein Schmelzekühler mit optimierten Kühlschlangenquerschnitten, strömungsgünstigen Querschnittgeometrien, exakt passend für die Anwendung? Per selektivem Laserschmelzen (SLM) wird das möglich.

Zahlreiche technische Anforderungen an Schmelzekühler lassen sich mit konventionellen Fertigungsmethoden nur unbefriedigend oder gar nicht bedarfsgerecht lösen. Die additive Fertigung gibt dagegen zahlreiche konstruktive Freiheiten. Mit ihr lassen sich Schmelzekühler für jede Anwendung maßschneidern, sowohl bezüglich der Größe als auch der technischen Leistungsfähigkeit.

So können spezielle für Schmelzekühler optimierte Kühlschlangenquerschnitte realisiert werden, die eine große Übertragungsfläche besitzen und dennoch einen geringen Fließwiderstand erzeugen. Es lassen sich auch ohne Probleme strömungsgünstige Querschnittgeometrien herstellen, die in Strömungsrichtung der Schmelze gesehen spitz beginnen und auch spitz enden. Das vermeidet störende Stagnationszonen im Schmelzestrom. Mit selektivem Laserschmelzen (selective laser melting, SLM) können auch Schmelzekühler gefertigt werden, die für kleine Anlagen im Technikum geeignet sind, und mit denen bei einem geringen Fließwiderstand eine große Übertragungsfläche möglich wird.

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Die Anforderungen, die je nach vorgesehener Anwendung und Größe der Extrusionsanlage an einen Schmelzekühler gestellt werden, können sehr unterschiedlich sein. Idealerweise sollten Schmelzekühler deshalb entsprechend den technischen Notwendigkeiten individuell ausgelegt werden.

Mit konventionellen Fertigungsmethoden lassen sich solche Anforderungen insbesondere dann kaum lösen, wenn Aufwand und Kosten der Fertigung nicht ausufern sollen. Dann wird meistens auf standardisierte Komponenten zurückgegriffen. Dabei fehlen Rohrsysteme mit strömungsgünstiger Querschnittgeometrie, sodass quadratische, runde oder bestenfalls ovale Rohre in wenigen Baugrößen verwendet werden. Schwierig ist auch die Kühlschlangen mediendicht in das Kühlergehäuse einzubinden.

Einheitliche Temperierung der Oberfläche

Mit den Möglichkeiten, die das SLM-Verfahren bietet, kann ein von Grund auf neuartiges Konzept für einen Schmelzekühler entwickelt werden. Bei einem prinzipiell gleichbleibenden Grundaufbau werden alle für die Leistungsfähigkeit eines Schmelzekühlers entscheidenden Parameter stufenlos variiert, um dem jeweiligen Anforderungsprofil gerecht zu werden.

Das Gehäuse besitzt eine Ein- und eine Ausströmkammer für das Kühlmittel. Beide Kammern erstrecken sich jeweils über die gesamte Länge und über den gesamten Umfang des Schmelzekühlers. Die komplette Außenoberfläche der Fließkanalwand wird somit einheitlich temperiert. Um Verluste zu minimieren, werden die Kammern durch zwei Wände getrennt, zwischen denen ein isolierender Luftspalt liegt.

Kurze Kühlschlangen mit großer Oberfläche

Das Temperiermittel wird über kurze Kühlschlangen geleitet, die jeweils von der einen Seite der Fließkanalwand zur gegenüberliegenden verlaufen. Die Kühlschlangen sind sinusförmig gewendelt und besitzen eine strömungsgünstige, in Fließrichtung langgestreckte Form. Beides vergrößert die Oberfläche. Außerdem bleibt dadurch trotz großer Übertragungsfläche der Fließwiderstand des Schmelzekühlers gering.

Um Stagnationszonen zu vermeiden, sind die Kühlschlangen am Anfang und am Ende spitz ausgeführt. Im Inneren der Kühlschlangen folgt die Geometrie der Kühlkanäle der Außenform der Kühlschlangen. Die Wanddicke der Kühlschlangen ist bewusst klein gehalten. Dadurch steht auch im Inneren der Kühlschlangen eine große Oberfläche für die Energieübertragung von der Schmelze zum Temperiermittel. Zudem besteht nur ein geringer Wärmeleitwiderstand durch die Wand der Kühlschlangen.

Die Schmelze gleichmäßig Abkühlen

Die Kühlschlangen verlaufen quer zum Schmelzestrom. Sie werden auf der einen Seite des Fließkanals über den Einströmkanal gespeist und enden auf der gegenüberliegenden Seite im Ausströmkanal des Schmelzekühlers. Dadurch besitzen die Kühlschlangen im Fließkanal nur eine sehr kurze Länge, so dass sich das Temperiermittel vom Eintritt bis zum Austritt nur geringfügig erwärmt. Um trotz dieser nicht vermeidbaren Erwärmung eine möglichst gleichmäßige Abkühlung der Schmelze zu erreichen, werden benachbarte Kühlschlangen vom Temperiermittel jeweils im Gegenstrom durchflossen.

Die Größe und der Abstand zwischen den einzelnen Kühlschlangen können nun frei gewählt werden. Dabei muss ein für die jeweilige Anwendung akzeptabler Kompromiss zwischen einem möglichst geringen Fließwiderstand und einer möglichst homogenen Schmelzetemperatur gefunden werden. Denn bei einem größeren Abstand der Kühlschlangen voneinander verringert sich der Fließwiderstand, aber auf der anderen Seite nehmen die Temperaturunterschiede in der Schmelze zu.

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Ausgeklügeltes Abkühlsystem

Um die Temperaturdifferenzen im Schmelzekühler so klein wie möglich zu halten, wird in Strömumgsrichtung gesehen jedem kurzen Kühlschlangenbereich ein Mischbereich nachgeschaltet. Über die in Fließrichtung vorhandene kurze Kühllänge wird zuerst nur eine geringe Temperaturdifferenz zwischen der Schmelze, die kühlschlangennah oder -fern strömt, generiert. In dem nachgeschalteten Mischbereich wird die Schmelzetemperatur wieder etwas vergleichmäßigt, bevor sie dann im nächsten Kühl-Mischbereich weiter abkühlt.

Dieser nachfolgende Bereich ist gegenüber dem vorangegangenen jeweils um 45° verdreht angeordnet, um auch darüber die Temperaturunterschiede der Schmelze im Kühler möglichst gering zu halten. Am Ende des Kühlers folgt nach dem letzten Kühlschlangenbereich ein verlängerter Mischbereich, um die Homogenität der Schmelzetemperatur am Ende des Kühlers zu verbessern.

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Freiheiten bei der Temperierung

Bei einem im SLM-Verfahren hergestellten Schmelzekühler ist es auch problemlos möglich, die einzelnen Kühl-Mischbereiche unabhängig voneinander zu temperieren. Damit kann dann die Temperatur des Temperiermittels von Stufe zu Stufe weiter abgesenkt werden. Sollen beispielsweise Schmelzekühler in kleinen Laboranlagen möglichst flexibel eingesetzt werden, empfiehlt es sich, den Schmelzekühler modular auszuführen, um darüber sowohl den vom Schmelzekühler erzeugten Gegendruck als auch die Kühlleistung den speziellen Erfordernissen des jeweils geplanten Versuchs anpassen zu können.

Additiv hergestellte Schmelzekühler können je nach Anforderungen aus normalem Werkzeugstahl oder aber aus korrosionsfestem Edelstahl gefertigt werden. Auch beim Kühlmedium steht es dem Anwender frei, sich für Luft, Wasser oder ein Thermoöl zu entscheiden, oder je nach Anwendungsfall auch das Temperiermittel zu wechseln.

* Franz Jürgen Benz ist Geschäftsführer von 3D4Classics, Darmstadt, Dr.-Ing. Heinz Groß Inhaber der Dr. Groß Kunststoff-Verfahrenstechnik, Rossdorf

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