Як використовувати технологію металевого друку для виготовлення складних теплообмінних конструкцій?

1. Технічний принцип проходить повз геометричні межі традиційного виробництва
Металевий 3D -друкЗробляє деталі за допомогою шарів металевого порошку або дроту. Основна його перевага полягає в тому, що він може зробити складні внутрішні канали, тонкі - стінові конструкції та конструкції оптимізації топології, які інші методи не можуть. Наприклад, команда з виробництва добавок з лабораторії Jihua використовувала технологію селективного лазерного плавлення (SLM), щоб зробити теплообмінник з паливом літаки (FCOC), що на 80% ефективнішим при передачі тепла і на 52% рідше втрачають тиск. Ця структура має спіральні мікроканали та біоміметична решітка для підтримки. Важко знову зробити подібні конструкції, використовуючи традиційне пайке або дифузійне скріплення, оскільки вони не можуть зробити тонкі - стінові частини, що мають товщину менше 0,3 мм.
Найпоширеніший спосіб зробити складні теплообмінники зараз - це технологія плавлення порошків (PBF), яка включає SLM та плавлення електронного променя (EBM). Наприклад, нікель in718 - основа сплаву теплообмінника, надрукована з обладнанням EP - M300 для проекту "спустошення", співпраці між Temisth та China Yijia 3D, було здійснено без будь -яких витоків. Плавники були товщиною 0,15 мм, а стінки - товщиною 0,5 мм. Це було можливо завдяки технології EBM, яка скоротила традиційний процес пайки з декількох тижнів до 130 годин та підвищила використання матеріалів з 45% до 82%.
2. Оптимізація дизайну: переміщення з досвіду - на основі даних -
Розробляючи складні системи теплообміну, вам потрібно подумати про те, як вони працюватимуть термодинамічно, як рідини будуть рухатися через них і наскільки вони будуть сильними. Традиційні методи проектування використовують емпіричні формули та пробні та помилки, щоб знайти найкраще рішення. Металева технологія 3D -друку, з іншого боку, використовує оптимізацію топології та генеративний дизайн, щоб значно розширити дизайнерський простір.
Технологія оптимізації топології
Наприклад, програмне забезпечення OQTON 3DXPERT має мульти - Модуль моделювання поля фізики, який може автоматично зробити найкращі макети внутрішнього каналу залежно від таких факторів, як щільність теплового потоку, втрата тиску та структурне напруження. Наприклад, при розробці рідкого холодного теплообмінника для центру обробки даних програма зробила теплообмін більш ефективним на 35%, а вага запальнився на 28%, змінивши кут каналу (15 градусів на 45 градусів) та діаметр стовпа решітки (від 0,2 до 0,8 мм).
Конструкція решітки, яка імітує природу
Структура стільника та судинна мережа в природі дають ідеї, як створити теплообмінники. Радіатор з мідного сплаву Addititic Andiletics використовує октаедральні одиниці решітки та отримує динамічну рівновагу між теплопровідністю та міцністю на структурну, змінюючи одиницю щільності (5% до 30% пористості). Згідно з експериментальними даними, ця конструкція підвищує площу поверхні на 2,3 рази і знижує теплостійкість до 1/5 того, що вона є у стандартних оформлених конструкціях з однаковим об'ємом.
Дизайн мікроканальної та хаотичної конвекції
Мікроканальна технологія робить область тепловіддачі більшою, роблячи рідкі канали меншими (менше 1 мм). Хаотична конвекційна конструкція робить рідину більш турбулентною, організовуючи канали нерівномірно. Наприклад, теплообмінник Conflex's COST -System має мікроканали, які регулярно розширюються та стискаються (з шириною каналу від 0,1 до 0,5 мм), що збільшує число Nusselt (NU) на 40% і знижує падіння тиску лише на 12%.
3. Вибір матеріалів: Продуктивність та процес повинні працювати добре.
Materials used in complex heat exchange structures must meet tight standards, such as having a high thermal conductivity (>100 Вт/м · к), стійкий до корозії та може бути використане в 3D -друку. Найпоширеніші матеріальні системи зараз:
Алюмінієвий сплав, як alsi10mg
Його низька вага (2,7 г/см³) та помірна теплопровідність (180 Вт/м · k) роблять її найкращою системою охолодження сучасних батарейних батарей енергетичних транспортних засобів. Platinum BLT - Машина S1500 друкує теплообмінник з алюмінієвого сплаву, який на 40% легший через свою внутрішню структуру решітки. Він також має міцність виходу 280 МПа після термічної обробки Т6.
Мідні сплави, як CucRZR та Cuni2Sicr, мають дуже високу теплопровідність (401 мас/м · к), але вони не працюють добре в процесі SLM, оскільки вони так добре відображають світло (швидкість поглинання лазера<5%). The Markforged Metal X system has used the "copper plastic composite wire+degreasing sintering" technology to print copper parts with a purity of over 99.8%. These parts have a thermal conductivity of 380 W/m · K, which makes them good for heat dissipation modules in 5G base stations. CuCrZr alloy is now the most used material for rocket engine cooling channels since it absorbs laser light 18% more quickly.
Нікель - Високий - Температурні сплави, як in718
У поля аерокосмічного простору в 718 р. Став основним матеріалом для компонентів гарячого кінця завдяки високій міцності (σ b> 1100mpa) та окислювальній стійкості при 650 градусах. Temisth знизила швидкість тріщини теплообмінника IN718 від 12% до 0,3% за тонкою - Налаштування параметрів процесу EBM (швидкість сканування 1200 мм/с та товщина шару 50 мкм) для виконання суворих стандартів для авіаційних двигунів.
4. Реалізація процесу: Повний контроль над усім процесом, від друку до розміщення - обробки
Важко зробити складні структури теплообміну з металевим 3D -друком через три основні технічні проблеми: створення конструкцій підтримки, контроль залишкового напруги та покращення якості поверхні.
Алгоритм створення розумної підтримки
Розробка традиційних систем підтримки вручну може легко спричинити тонку деформацію -. Програма OQTON 3DXPERT застосовує техніку оптимізації підтримки на основі машинного навчання, яка може автоматично побудувати таку структуру підтримки дерева, мінімізувати кількість опорного матеріалу на 60%та регулювати тонку деформацію - стінової деформації в межах 0,05 мм за допомогою локальної конструкції шифрування.
Технологія управління залишковим стресом
Швидке лазерне плавлення може генерувати градієнт температури, який може легко зламати шари. Технологія "Оптимізація стратегії сканування SLM Solutions" Оптимізація "Оптимізація сканування" знижує залишковий стрес теплообмінника in718 на 55%, а його швидкість тріщини на 0,1% шляхом попереднього нагрівання субстрату до 200 градусів та використання шляху сканування шахової дошки.
Процес покращення якості поверхні
Шорсткість поверхні 3D -друку (РА більше або дорівнює 6 мкм), зробить її набагато менш ефективною при обміні теплом. Процес "Хімічна полірування+електрохімічна обробка" технології Jizhan може зробити поверхні теплообмінників з алюмінієвим сплавом менш шорсткими (до Ra0,4 мкм) і додати на 15% більше площі поверхні через травлення мікроструктури. Це призводить до загального підвищення ефективності передачі тепла на 22%.
5. Промислове використання: Перехід від лабораторії до великого -
Металева технологія теплообміну 3D -друку досягла великих успіхів у ряді високих - значення - Додані поля:
поле аерокосмічного простору
3D -друкований охолоджувач масла, створений Safran Group для двигунів Leap, підвищує поверхню теплообміну на 40% і економить вагу на 30% за допомогою дизайну біоміметичної судинної мережі та досягає великої виробництва масштабу 2000 одиниць на рік за допомогою технології EBM.
Що стосується нових енергетичних автомобілів
3d - надрукована акумуляторна пластина акумулятора має крихітні канали всередині нього, які зберігають диференціал температури під ± 1 градус. Це робить акумулятор останнім на 15% довше, ніж стандартні методи штампування та зварювання, і скорочує час розробки з 12 місяців до 4 місяців.
Електронне поле розсіювання тепла
3D -мідний тепловий раковина Intel використовує фрактальне дерево -, як мікроканальна конструкція, щоб зберегти температуру мікросхеми нижче 85 градусів при щільності теплового потоку 100 Вт/см². Це робить його на 40% ефективнішим при охолодженні, ніж стандартні системи теплових труб.