金屬3D打印熱交換器解決方案

魔猴君  科技前沿   2663天前

HiETA成立于2011年，旨在通過增材制造的方法開發(fā)用于生產(chǎn)各種熱管理應(yīng)用的復(fù)雜、輕型結(jié)構(gòu)的金屬零件。制造的零件包括用于微型燃?xì)廨啓C(jī)的熱交換器、渦輪機(jī)械和燃燒部件，還包括那些用于燃料電池的相變換熱器和綜合廢熱回收系統(tǒng)，以及用于高效內(nèi)燃機(jī)散熱的部件。

傳統(tǒng)上，熱交換產(chǎn)品通常由焊接在一起的薄片材料制成。設(shè)計(jì)的復(fù)雜性使得生產(chǎn)具有挑戰(zhàn)性并且耗時(shí)，而且用于焊接工藝的材料增加了部件的整體重量。在HiETA之前，很少有專門的機(jī)構(gòu)研究通過增材制造的工藝來制造熱交換器。因此，最初的挑戰(zhàn)是確認(rèn)3D打印工藝可以成功地制造足夠薄的壁并且滿足剛性等方面的質(zhì)量要求，然后再探索如何生產(chǎn)具有典型熱交換器復(fù)雜性的完整部件。

為此，HiETA開發(fā)了專用參數(shù)包，包括開發(fā)Inconel材料的無泄漏薄壁結(jié)構(gòu)，厚度達(dá)150微米。通過Renishaw在Staffordshire工廠里的AM250和HiETA在布里斯托爾和巴斯科學(xué)園附近的設(shè)備來完成產(chǎn)品的制造。

隨后工程師們將所得的樣品進(jìn)行熱處理，然后HiETA對這些零件進(jìn)行表征。測試結(jié)果能夠幫助工程師確認(rèn)最佳加工參數(shù)，并且還幫助HiETA開發(fā)一個(gè)設(shè)計(jì)指南，設(shè)計(jì)指南包含了如何使用粉末床激光熔化技術(shù)制造熱交換器中的細(xì)節(jié)，如何滿足傳熱需求等加工方面需要注意的參數(shù)，以及如何實(shí)現(xiàn)無泄漏的整體墻設(shè)計(jì)與制造。

樣品測試完成后的下一階段是轉(zhuǎn)向完整的全尺寸單元設(shè)計(jì)與制造，這方面是配合著實(shí)際的需求來進(jìn)行的。英國的汽車集成商Delta Motorsports參與了兩個(gè)項(xiàng)目。第一個(gè)是長方體換熱器（換熱器），用作電動(dòng)車輛的擴(kuò)展裝置。第二個(gè)是將組件的設(shè)計(jì)變得更復(fù)雜，形狀看起來與傳統(tǒng)的長方體形狀完全不同，而是更復(fù)雜的弧形設(shè)計(jì)。

更復(fù)雜的形狀可以提高產(chǎn)品性能和循環(huán)效率，并降低成本。設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)了一種環(huán)形形式的換熱器，并包含集成的歧管，是一種更緊湊的整體系統(tǒng)。為了進(jìn)一步優(yōu)化雷尼紹設(shè)備來處理較大的樣品，HiETA還開發(fā)了一種從熱交換器的芯中去除多余的粉末材料的提取工藝。

HiETA和雷尼紹之間的合作伙伴關(guān)系的第一個(gè)成果就是建立通過增材制造設(shè)備成功地生產(chǎn)薄壁結(jié)構(gòu)所需的基本數(shù)據(jù)，并獲取用來預(yù)測雷尼紹設(shè)備制造的熱交換器性能所需的參數(shù)。

熱傳遞和流體流動(dòng)數(shù)據(jù)已被納入HiETA使用的CFD和有限元分析程序中。這些程序可用于初步評估新組件設(shè)計(jì)的可能性能，從而確認(rèn)方案是否有潛力滿足客戶的要求。

同時(shí)，雷尼紹針對熱交換器制造的需求改進(jìn)了軟件，因?yàn)樵趯⑼暾臒峤粨Q器模型切成薄層用于3D打印設(shè)備讀取以規(guī)劃激光掃描路徑的時(shí)候，這一過程形成了大量的數(shù)據(jù)，雷尼紹改進(jìn)后的軟件可以有效處理這些大量的數(shù)據(jù)。

這個(gè)過程充滿了不斷的改進(jìn)努力，第一次通過雷尼紹的AM250系統(tǒng)完成3D打印后，這個(gè)成功的零部件需要17天的構(gòu)建時(shí)間。隨著硬件和軟件的改進(jìn)，加上工藝參數(shù)的優(yōu)化，構(gòu)建時(shí)間減少到八十個(gè)小時(shí)。隨后經(jīng)過了一系列復(fù)雜的測試表明，該組件將滿足流體壓力和熱傳遞的要求。

通過3D打印，HiETA生產(chǎn)的零件通常比市場上同等效率傳統(tǒng)方法制造的產(chǎn)品重量輕40％。這是因?yàn)?/span>3D打印技術(shù)允許設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)單個(gè)組件中的許多新穎的高性能表面，這些集成式一體化的設(shè)計(jì)對于傳統(tǒng)加工方法來說是非常困難的。

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