3D打印具有集成熱交換功能的輕量化殼體

魔猴君  行業(yè)資訊   1709天前

關(guān)于3D打印集成熱交換功能的殼體，此前曾分享過GE開發(fā)的一種齒輪箱，是一個(gè)包括具有多個(gè)內(nèi)腔的殼體。在腔室內(nèi)的多個(gè)壁中附加制造了熱交換器，這樣的熱交換器包括多個(gè)熱交換通道。近日，聯(lián)合技術(shù)公司-UTC的3D打印具有集成熱交換功能的輕量化殼體專利獲批，UTC的這項(xiàng)專利提供了用于生產(chǎn)輕質(zhì)，低成本組件的方法。

圖片來源：US10619949B2

集成結(jié)構(gòu)，3D打印開啟新組件時(shí)代

如果按照傳統(tǒng)鑄造完成后，再進(jìn)行CNC減材加工來實(shí)現(xiàn)這樣的設(shè)計(jì)應(yīng)該說是不可能的。UTC本針對(duì)使用減材制造和增材制造的組合來制造具有集成熱交換功能的輕量化殼體，有效實(shí)現(xiàn)復(fù)雜與精密的結(jié)合。

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UTC將開孔泡沫結(jié)構(gòu)應(yīng)用到熱交換功能的設(shè)計(jì)中，以允許第二流體通過，泡沫結(jié)構(gòu)的孔隙率可以在5％至80％的范圍內(nèi)，孔隙率的選擇可以取決于要形成的部件的最終用途。這種設(shè)計(jì)比起原來傳統(tǒng)制造工藝來說，可以比機(jī)加工固體材料塊快速且以較低的成本完成。與應(yīng)用于固體塊的機(jī)械加工相比，顯著減少原材料浪費(fèi)。另外，可以通過調(diào)整泡沫結(jié)構(gòu)外部的金屬沉積物（或陶瓷沉積物）的厚度，以達(dá)到需要的強(qiáng)度。

這種設(shè)計(jì)對(duì)于用于閥體和其他應(yīng)用的機(jī)加工部件提供了低成本，輕量化的選擇。與固體毛坯材料塊相比，增材制造的零件所需的原材料更少。為了豐富內(nèi)部特征和實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能，還通過將一個(gè)或多個(gè)組件集成到結(jié)構(gòu)中來，并且這種結(jié)構(gòu)可以避免流體泄露風(fēng)險(xiǎn)，通過金屬外殼提供組件的連接和所需的結(jié)構(gòu)功能。

Review

在3D打印所帶來的以功能實(shí)現(xiàn)為導(dǎo)向的產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念背景下，集成是個(gè)趨勢(shì)，拿燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的組件來說，通常，用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的常規(guī)熱交換器是定位在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的各個(gè)位置處的“磚”塊結(jié)構(gòu)。這些熱交換器就像空調(diào)的室外機(jī)，通過一個(gè)或多個(gè)流體循環(huán)管道實(shí)現(xiàn)熱交換區(qū)域的連接。以往燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的熱交換器遠(yuǎn)離附件齒輪箱需要通過單獨(dú)的流體循環(huán)管道將油供應(yīng)到熱交換器。每個(gè)管道都需要額外的組件存儲(chǔ)，并且?guī)砹祟~外的組裝和成本。此外，泄漏的可能性增加了，并且當(dāng)流體被傳遞到位于遠(yuǎn)處的熱交換器時(shí)，流體可能會(huì)損失大量的熱能。

因此，改進(jìn)用于冷卻變速箱的熱交換器是具有應(yīng)用前景的，更具體地說，用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的熱交換器需要更少的空間，更易于組裝和安裝，并且需要降低流體泄漏和熱損失的可能性。通過3D打印，不僅可以將齒輪箱和熱交換器以整體結(jié)構(gòu)制造出來，而且還可以實(shí)現(xiàn)非常薄的壁厚，在這方面，3D科學(xué)谷曾分享過GE開發(fā)的集成熱交換器的一體化齒輪箱概念可以類似地應(yīng)用于各種變速箱，例如傳動(dòng)齒輪箱，動(dòng)力齒輪箱，減速齒輪箱，或渦輪風(fēng)扇的其他部件。可以應(yīng)用到汽車、航空、海事等領(lǐng)域。

圖：GE開發(fā)的集成熱交換器的一體化齒輪箱殼體。來源：US 10247296 B2

熱交換器正在發(fā)生變革，下一代換熱器與散熱器正在來臨。諸如集成熱交換功能的輕量化殼體和集成熱交換器的一體化齒輪箱具有多方面的顛覆潛力，避免了傳統(tǒng)熱交換模塊的遠(yuǎn)程定位需要燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)額外的容納空間。另外避免了泄露等隱患。以往流體必須通過單獨(dú)的流體循環(huán)管道循環(huán)，這些管道必須使用密封件，螺栓，螺母等組裝。并且，每個(gè)管道需要額外的部件存儲(chǔ)，組裝和成本。此外，以往的設(shè)計(jì)方案中，當(dāng)流體被傳遞到位于遠(yuǎn)處的熱交換器時(shí)，流體可能會(huì)損失大量的熱能。

此外，通過3D打印工藝，可以形成特定的表面光潔度和通道尺寸以改善通過通道的流體流動(dòng)，改善通道內(nèi)的熱傳遞等?？梢酝ㄟ^增加激光掃描速度或粉末層的厚度來實(shí)現(xiàn)更粗糙的光潔度，并且可以通過降低激光掃描速度或粉末層的厚度來實(shí)現(xiàn)更光滑的光潔度。還可以改變掃描路徑或激光功率來改變特定區(qū)域的表面光潔度。值得注意的是，更光滑的表面可以促進(jìn)流體更快的流過熱交換器通道，而較粗糙的表面可以促進(jìn)流體的湍流和增加熱傳遞。

來源：3D科學(xué)谷