Hvordan bruke metallutskriftsteknologi for å produsere komplekse varmeutvekslingsstrukturer?

1. Det tekniske prinsippet er å komme forbi de geometriske grensene for tradisjonell produksjon
Metall 3D -utskriftLager deler ved å bygge lag metallpulver eller ledning. Den viktigste fordelen er at den kan gjøre kompliserte interiørkanaler, tynne - inngjerdede strukturer og optimalisering av topologi som andre metoder ikke kan. For eksempel brukte additive produksjonsteamet ved Jihua Laboratory Selective Laser Melting (SLM) -teknologi for å lage en flyveksler for drivstoffolje (FCOC) som er 80% mer effektiv til å overføre varme og 52% mindre sannsynlig å miste trykk. Denne strukturen har spiralmikrokanaler og et biomimetisk gitter for støtte. Det er vanskelig å lage slike design igjen ved å bruke tradisjonell lodding eller diffusjonsbinding siden de ikke kan lage tynne - veggede deler som er mindre enn 0,3 mm tykke.
Den vanligste måten å lage kompliserte varmevekslere akkurat nå er med pulverbed -smelting (PBF) teknologi, som inkluderer SLM og elektronstrålesmelting (EBM). For eksempel ble IN718 Nickel - basert legerings varmevekslerkjerne trykt med EP - M300 -utstyr for "Desolition" -prosjektet, et samarbeid mellom Temisth og China Yijia 3D, laget uten lekkasjer. Finnene var 0,15 mm tykke og veggene var 0,5 mm tykke. Dette var mulig takket være EBM -teknologi, som kuttet den tradisjonelle loddingsprosessen fra flere uker til 130 timer og økte utnyttelsen fra 45% til 82%.
2. Designoptimalisering: Flytting fra erfaring - basert på data - basert
Når du designer kompliserte varmeutvekslingssystemer, må du tenke på hvordan de vil fungere termodynamisk, hvordan væsker vil bevege seg gjennom dem, og hvor sterke de vil være. Tradisjonelle designmetoder bruker empiriske formler og prøving og feiling for å finne den beste løsningen. Metal 3D -utskriftsteknologi bruker derimot optimalisering av topologi og generativ design for å utvide designrommet i stor grad.
Teknologi for optimalisering av topologi
For eksempel har Oqton 3Dxpert -programvare en multi - fysikkfeltsimuleringsmodul som automatisk kan lage de beste interne kanaloppsettet avhengig av faktorer som varmeflukstetthet, trykktap og strukturell stress. For eksempel, når du designet en flytende kaldvarmeveksler for et datasenter, gjorde programmet for eksempel varmeutvekslingen mer effektiv med 35% og vekten lettere med 28% ved å endre kanalvinkelen (15 grader til 45 grader) og gitterpillediameteren (0,2 til 0,8 mm).
Gitterkonstruksjon som etterligner naturen
Honningkakestrukturen og vaskulært nettverk i naturen gir ideer for hvordan du lager varmevekslere. Additive Analytics 'kobberlegeringsradiator bruker oktaedrale gitterenheter og får en dynamisk likevekt mellom termisk ledningsevne og strukturell styrke ved å endre enhetstettheten (5% til 30% porøsitet). I følge eksperimentelle data forbedrer denne utformingen overflatearealet med 2,3 ganger og senker varmemotstanden til 1/5 av hva det er i standard finnede design med samme volum.
Design av mikrokanal og kaotisk konveksjon
Mikrokanals teknologi gjør varmeoverføringsområdet større ved å gjøre væskekanalene mindre (mindre enn 1 mm). Kaotisk konveksjonsdesign gjør væsken mer turbulent ved å ordne kanalene på en ujevn måte. For eksempel har Confluxs CPS -systemvarmeveksler mikrokanaler som utvides og trekker seg sammen regelmessig (med kanalbredde fra 0,1 til 0,5 mm), noe som øker Nusselt -tallet (NU) med 40% og senker trykkfallet med bare 12%.
3. Valg av materialer: ytelse og prosess må begge fungere bra.
Materials used in complex heat exchange structures must meet tight standards, such as having a high thermal conductivity (>100 w/m · k), være motstandsdyktig mot korrosjon og kunne brukes i 3D -utskrift. De vanligste materialsystemene akkurat nå er:
Aluminiumslegering, som alsi10mg
Den lave vekten (2,7 g/cm³) og moderat termisk ledningsevne (180 W/m · K) gjør det til det beste kjølesystemet for moderne energikjøretøybatterier. Platinum BLT - S1500 -maskinen skriver ut en aluminiumslegering varmeveksler som er 40% lettere på grunn av den indre gitterstrukturen. Den har også en avkastningsstyrke på 280 MPa etter T6 varmebehandling.
Kobberlegeringer, som Cucrzr og Cuni2SICR, har veldig høy termisk ledningsevne (401 W/m · K), men de fungerer ikke bra i SLM -prosessen fordi de reflekterer lys så godt (laserabsorpsjonshastighet<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.
Nikkel - basert høy - temperaturlegeringer, som in718
I luftfartsfeltet har IN718 blitt kjernematerialet for varme endekomponenter på grunn av dens høye styrke (σ b> 1100MPa) og oksidasjonsmotstand ved 650 grader. Temisth har senket sprekkhastigheten til in718 varmeveksleren fra 12% til 0,3% med fin - som innstiller EBM -prosessparametrene (skannehastighet på 1200 mm/s og lagtykkelse på 50 μ m) for å oppfylle de strenge standardene for luftfartsmotorer.
4. Prosessimplementering: Full kontroll over hele prosessen, fra utskrift til post - behandling
Det er vanskelig å lage sofistikerte varmeutvekslingsstrukturer med metall 3D -utskrift på grunn av tre hovedtekniske problemer: å lage støttestrukturer, kontrollere gjenværende stress og forbedre overflatekvaliteten.
Algoritme for å gi smart støtte
Å designe tradisjonelle støttesystemer for hånd kan lett forårsake tynn - inngjerdet deformasjon. Oqton 3Dxpert -programmet bruker en maskinlæringsbasert supportoptimaliseringsteknikk, som automatisk kan konstruere et tre som støttestruktur, minimere mengden støttemateriale med 60%og regulere den tynne - vegget deformasjon innen 0,05 mm ved bruk av lokal krypteringsdesign.
Teknologi for å kontrollere gjenværende stress
Rask lasersmelting kan generere en temperaturgradient som lett kan bryte lagene. SLM Solutions '"Substrat Prehating+Scanning Strategy Optimization" Teknologi senker IN718 varmevekslerens restspenning med 55% og sprekkhastigheten med 0,1% ved å forvarme underlaget til 200 grader og bruke en sjakkbrettskanningsbane.
Prosess for å forbedre kvaliteten på overflaten
Grovheten på overflaten til 3D -utskrift (RA større enn eller lik 6 μ m) vil gjøre det mye mindre effektivt når det gjelder å utveksle varme. Jizhan Technology sin "Chemical Polishing+Electrochemical Machining" -prosess kan gjøre overflatene til aluminiumlegerings varmevekslere mindre grove (til RA0,4 μ m) og tilsette 15% mer overflateareal gjennom mikrostrukturetsing. Dette fører til en 22% total forbedring i varmeoverføringseffektiviteten.
5. Industriell bruk: Gå fra laboratoriet til Big - skalaproduksjon
Metal 3D Printing Heat Exchange Technology har gjort store fremskritt i et antall høye - verdi - Lagt til felt:
Luftfartsfeltet
Den 3D -trykte oljekjøleren opprettet av Safran Group for LEAP -motorer forbedrer varmeutvekslingsflaten med 40% og sparer vekt med 30% gjennom biomimetisk vaskulær nettverksdesign, og oppnår stor - skalaproduksjon av 2000 enheter per år med EBM -teknologi.
Når det gjelder nye energibiler
NIOs 3D - Trykt batterikjølingsplate har bittesmå kanaler inni seg som holder temperaturdifferensialet under ± 1 grad. Dette gjør at batteriet varer 15% lenger enn standard stempling og sveisemetoder og kutter utviklingstiden fra 12 måneder til 4 måneder.
Elektronisk varmeavledningsfelt
Intels 3D -trykte kobberavsvaske bruker et fraktalt tre - som mikrokanaldesign for å holde brikkemperaturen under 85 grader ved en varmeflukstetthet på 100W/cm². Dette gjør det 40% mer effektivt til kjøling enn standard varmerørsystemer.