FDM 技术

FDM 又称熔融沉积成型,是迄今为止使用广泛的 3D 打印工艺之一

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FDM 又称熔融沉积成型,是迄今为止使用广泛的 3D 打印工艺之一

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通过增材制造获得更好的换热器

通过增材制造获得更好的换热器

2021-08-27 09:57

更小、更轻、更高效的热交换器展示了金属增材制造的许多优势。

热交换器是金属增材制造的典型代表。这是真的。每次金属3D打印机制造商想要展示金属增材制造的属性时,他们都会创建一个具有复杂内部通道的紧凑、轻便的热交换器。为什么?

让我们来看看这些组件需要如何改进,以及如何为增材制造重新设计它们,使它们的效率和价格成倍增加,但在采用过程中仍然存在一些障碍。

通过增材制造获得更好的换热器

什么是换热器

3D Systems 的 3D 打印热交换器(来源:3D Systems)

简单来说,热交换器是一种用于在两种不同流体之间传递热量的装置。您可以在从空调到火箭发动机的各种应用中找到它们,因为它们的应用范围非常广泛。

它们的冷却功能用于防止设备过热,同时它们还使热量从一种流体传递到另一种流体,主要目的是加热它。设计通常是在最大化零件的表面积和最小化零件内的压降之间实现复杂的平衡。

今天,增材制造设计的进步正在导致重新构想这个最基本部分的突破。最近,GE的热交换器原型能够处理 900ºC 的温度,比当前最先进的设备高 200°C。GE Research 表示,其原型可以在能源领域找到应用,以实现“在现有和下一代发电厂和喷气发动机平台中更清洁、更高效的发电”。

Stratasys 3D 打印的整体式热交换器(来源:Stratasys)

金属 3D 打印机制造商 Fabrisonic 正在将其增材制造技术与NASA 的喷气推进实验室(JPL) 一起使用,以生产用于航天器的一体式 3D 打印热交换器。与此同时,3D 打印机制造商 3D Systems 已被航空航天公司 Raytheon Technologies 选中参与一项研究项目,为美国陆军开发拓扑优化、增材制造的热交换器。

在本文中,我们回答三个问题:

  • 为什么要对热交换器使用增材制造?
  • 在设计用于增材制造的热交换器时,您需要考虑哪些设计注意事项?
  • 高性能换热器的设计和增材制造有哪些新机遇?

为什么要使用增材制造?

FIT AG 的 3D 打印热交换器(来源:FIT AG)

金属增材制造在其各种技术中制造更轻、更小、更高效和更可靠的部件的原因有很多。

单件式换热器

首先,AM 的优势在于能够将核心和歧管作为单个部件生产。换句话说,没有额外的成型、组装、钎焊或焊接步骤,因此整个过程更快。

传统制造的热交换器使用粘合在一起的单个翅片或板。这是一个手动过程,如果任何这些钎焊接头之间出现故障,都可能导致设备故障。单个部件消除了这种风险。此外,整体式热交换器的重量要轻得多。

EOS 与 Autodesk 合作的 3D 打印换热器 3T RPD(来源:EOS)

更小、更高效

另一个优势是增材制造可以创建任何尺寸或形状,而只有增材制造才能实现的独特形状和内部特征促进了这些组件的小型化。

这些具有更紧凑形状的热交换可以满足狭小的空间要求。

独特和定制但短期的生产在赛车和航空航天等行业很常见,在这些行业中,发动机可能具有独特的设计和用于热交换器的狭小空间。AM 非常适合这一点,因为您可以设计定制包装和歧管以直接适应紧凑的体积。

此外,在增材制造过程中无需考虑工具,因此可以同时制造多个变体。

更高的内表面

极薄壁的内部核心格子增加了换热器的表面积和效率。金属增材制造工艺,例如激光粉末床融合,能够生产厚度为 0.1 毫米或更小的壁。这不像一些传统的制造方法那么薄,但 AM 的其他功能弥补了这一点,以创造出更轻、更小的最终产品。

在增材制造中制造薄壁并非没有挑战,通常需要对工艺参数进行研发以生产这些薄壁结构,但它们是热交换器的理想选择。

由 Hyperganic 设计并由 Heraeus 打印的 3D 打印铜热交换器(来源:Hyperganic)

由铜、铬镍铁合金等制成。

AM可以用多种材料生产热交换器,从铝合金一直到高温合金,如 Inconel 718 和 Inconel 625。其他材料,如铜和铜合金,也用于增材制造这些材料的高导电性使它们成为传热应用的理想选择。多材料热交换器也是可能的。

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设计中的新机遇

使用 nTopology 设计的用于电子产品的3D打印散热器(来源:nTopology)

这些复杂部件的设计历来具有挑战性,因为传热受传导、对流和辐射物理控制。

然而,如果我们将这种传热简化为一个元素,即电导率,我们可以看到传热受以下方程控制:

我们可以看到,传热速率受许多不同方面的影响。

首先,考虑热导率 (k)。这通常取决于材料选择,因此使用具有最高热导率的材料似乎是合乎逻辑的。然而,在为无限应用设计热交换器时,通常需要考虑相互冲突的规范元素。因此,材料的导热性很重要,但也要考虑强度、材料的密度和熔点。这有助于为零件的设计找到最佳材料。

接下来,我们看一下服务区 (A),它应该最大化以更好地传递热量。

该方程还向我们表明,壁厚 (dx) 越小,穿过壁的电导率就越好。因此,在设计热交换器时,壁厚是增材制造的另一个亮点。

例如,用于激光粉末床融合 (LPBF) 的增材制造的最小壁厚约为 0.5 毫米,但是,通过仔细优化打印机参数,我们可以将壁厚降低到远低于此值。

晶格内部结构

在热交换器中利用晶格结构是很流行的,因为它们将表面积元素增加到上述方程。

此用例的一种流行类型的格子是三重周期性最小表面 (TPMS) 格子,可以将单元拆分为多个域。

换热器设计中的 Gen3D 软件(来源:Gen3D)

用于增材制造的创成式设计软件(如我们在Gen3D上的)可以创建这些 TPMS 晶格以增加表面积。通过在软件中更改单元尺寸和晶格密度,您可以调整热交换器的参数并优化流动设计,以减少压降并提高系统效率。表面积和压降之间的平衡是换热器设计人员每天都面临的一个恒定平衡。

在CAD阶段定义大量薄壁表面时,谈论压降使我们面临更多挑战。

随着我们的设计之旅,模拟这些传热表面的工作方式可能是一个挑战。在模型进入CAD模拟软件之前对模型进行切片的工作可能是数据密集型的。

当您进入打印阶段时,薄壁结构可能是一个危险的过程,需要仔细的机器优化。

最大的挑战通常是在验证和测试阶段,您必须确保所有粉末都已从内部通道中清除,并且所有内壁都已完美创建。有许多非破坏性测试技术,例如用于检查粉末的共振测试或用于检查结构完整性的 CT 扫描。

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增材制造的热交换器图库

Conflux 和 Velo3D 的 3D 打印热交换器(来源:Conflux,Velo3D)

增材制造彻底改变了热交换器的设计。有越来越多的专利设计,我们只是触及了增材制造可以为这一应用带来的好处的表面。然而,壁厚、打印机速度、验证技术以及特定标准的创建和实施方面无疑仍存在障碍。

除了已经描绘的部分之外,下面还有更多说明增材制造的巨大潜力。Gen3D 特别令我们兴奋的是与3D打印机制造商 Aerosint 的一个项目,我们在该项目中合作生产多材料热交换器。Areosint 制造了一种多材料激光粉末床融合打印机,用于创建一个结合内表面高导电 CuCrZr(铜合金)和外部高强度钢的单件。

这种铜和钢一体式 3D 打印热交换器是我们在未来增材制造热交换器中可能会看到的一个例子。(来源:Gen3D)

3D Systems 的 3D 打印热交换器(来源:3D Systems)

Mott Corporation 3D 打印的热交换器(来源:Mott)

GE Research 的 3D 打印换热器原型称为 UPHEAT(由添加剂技术启用的超高性能换热器)。(来源:通用电气研究)

Steven Goguelin 博士是 Gen3D 的研发工程师。

Steven Goguelin 博士于 2015 年获得巴斯大学机械工程学位,专攻设计。他继续深造,完成了博士学位。在增材制造设计中,专注于计算机在增材制造工作流程中的作用。2019 年,他加入了 Gen3D Ltd.,在那里他担任设计和应用程序的角色,帮助客户最大限度地发挥增材制造在其应用程序中的潜力。

源文摘自:ALL3DP

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