Kā izmantot metāla drukāšanas tehnoloģiju sarežģītu siltuma apmaiņas struktūru ražošanai?

1. Tehniskais princips ir tradicionālās ražošanas ģeometriskās robežas
Metāla 3D drukāšanaPagatavo detaļas, veidojot metāla pulvera vai stieples slāņus. Tā galvenā priekšrocība ir tā, ka tas var izveidot sarežģītus interjera kanālus, plānus - sienu struktūras un topoloģijas optimizācijas dizainus, ko citas metodes nevar. Piemēram, Jihua laboratorijas piedevu ražošanas komanda izmantoja selektīvu lāzera kušanas (SLM) tehnoloģiju, lai padarītu gaisa kuģa degļa siltummaiņu (FCOC), kas ir par 80% efektīvāks siltuma pārnesēšanā un par 52% mazāk ticams, ka zaudēs spiedienu. Šai struktūrai ir spirālveida mikrokanāli un atbalsta biomimētiskais režģis. Ir grūti pagatavot šāda veida dizainus, izmantojot tradicionālo cietlodēšanas vai difūzijas savienošanu, jo tie nevar padarīt plānas - sienas daļas, kas ir mazas par 0,3 mm biezas.
Visizplatītākais veids, kā šobrīd pagatavot sarežģītus siltummaiņus, ir pulvera gultnes kušanas (PBF) tehnoloģija, kas ietver SLM un elektronu staru kūstošanu (EBM). Piemēram, in718 niķeļa - balstītā sakausējuma siltummaiņa serdenis, kas iespiests ar EP - M300 aprīkojumu projektam "Izcelšanās", kas ir sadarbība starp Temisth un China Yijia 3D, tika veikta bez jebkādām noplūdēm. Finas bija 0,15 mm biezas un sienas bija 0,5 mm biezas. Tas bija iespējams, pateicoties EBM tehnoloģijai, kas samazināja tradicionālo cietlodēšanas procesu no vairākām nedēļām līdz 130 stundām un palielināja materiālu izmantošanu no 45% līdz 82%.
2. Dizaina optimizācija: pārvietošanās no pieredzes -, pamatojoties uz datiem - balstīta
Projektējot sarežģītas siltuma apmaiņas sistēmas, jums jādomā par to, kā tās darbosies termodinamiski, kā šķidrumi pāries caur tām un cik spēcīgi tie būs. Tradicionālās dizaina metodes izmanto empīriskas formulas un izmēģinājumus un kļūdas, lai atrastu labāko risinājumu. No otras puses, metāla 3D drukāšanas tehnoloģija izmanto topoloģijas optimizāciju un ģeneratīvo dizainu, lai ievērojami paplašinātu dizaina telpu.
Topoloģijas optimizēšanas tehnoloģija
Piemēram, OQTON 3DXPERT programmatūrai ir vairāku - fizikas lauka simulācijas modulis, kas var automātiski padarīt vislabāko iekšējā kanāla izkārtojumu atkarībā no tādiem faktoriem kā siltuma plūsmas blīvums, spiediena zudums un strukturālais stress. Piemēram, izstrādājot šķidru aukstā siltummaiņu datu centram, programma padarīja siltuma apmaiņu efektīvāku par 35% un svara šķiltavu par 28%, mainot kanāla leņķi (15 grādu līdz 45 grādiem) un režģa staba diametru (0,2 līdz 0,8 mm).
Režģa konstrukcija, kas atdarina dabu
Honeycomb struktūra un asinsvadu tīkls dabā sniedz idejas, kā izveidot siltummaiņus. Piedevu analītikas vara sakausējuma radiators izmanto oktaedriskā režģa vienības un, mainot vienības blīvumu (5% līdz 30% porainība), iegūst dinamisku līdzsvaru starp siltumvadītspēju un strukturālo izturību. Saskaņā ar eksperimentālajiem datiem šis dizains uzlabo virsmas laukumu par 2,3 reizes un pazemina siltuma pretestību 1/5 no tā, kas tas ir standarta spuldzē, ar tādu pašu tilpumu.
Mikrokanāla un haotiskas konvekcijas dizains
Mikrokanālu tehnoloģija padara siltuma pārneses laukumu lielāku, padarot šķidruma kanālus mazāku (mazāks par 1 mm). Haotiskā konvekcijas dizains padara šķidrumu nemierīgāku, sakārtojot kanālus nevienmērīgā veidā. Piemēram, Conflux CPS sistēmas siltummainim ir mikrokanāli, kas regulāri paplašinās un slēdz līgumus (ar kanāla platumu svārstās no 0,1 līdz 0,5 mm), kas palielina Nusselt skaitli (NU) par 40% un samazina spiediena kritumu tikai par 12%.
3. Materiālu izvēle: Veiktspējai un procesam ir jābūt labi darbam.
Materials used in complex heat exchange structures must meet tight standards, such as having a high thermal conductivity (>100 w/m · k), ir izturīgs pret koroziju un spēj izmantot 3D drukāšanā. Pašlaik visizplatītākās materiālu sistēmas ir:
Alumīnija sakausējums, piemēram, ALSI10MG
Tā mazais svars (2,7 g/cm³) un mērena siltumvadītspēja (180 w/m · k) padara to par labāko dzesēšanas sistēmu mūsdienu enerģijas transportlīdzekļu baterijām. Platinum Blt - S1500 mašīna izdrukā alumīnija sakausējuma siltummaini, kas ir par 40% vieglāks tās iekšējās režģa struktūras dēļ. Pēc T6 termiskās apstrādes tā ražas stiprums ir arī 280 MPa.
Vara sakausējumiem, piemēram, Cucrzr un Cuni2Sicr, ir ļoti augsta siltumvadītspēja (401 w/m · k), taču SLM procesā tie nedarbojas labi, jo tie tik labi atspoguļo gaismu (lāzera absorbcijas ātrums<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.
Niķeļa - balstīti augsts - temperatūras sakausējumi, piemēram, in718
Aviācijas un kosmosa laukā In718 ir kļuvis par karstā gala komponentu galveno materiālu, pateicoties tā augstajai stiprībai (σ B> 1100MPa) un pretestību oksidēšanai ar 650 grādiem. Temisth ir samazinājis In718 siltummaiņa plaisas ātrumu no 12% līdz 0,3% ar smalku - EBM procesa parametru noregulēšanu (skenēšanas ātrums 1200 mm/s un 50 μm slāņa biezums), lai izpildītu stingros aviācijas motoru standartus.
4. Procesa ieviešana: pilna kontrole pār visu procesu, sākot ar drukāšanu līdz - apstrādei
Trīs galvenās tehniskās problēmas ir grūti izgatavot sarežģītas siltuma apmaiņas struktūras ar metāla 3D drukāšanu: atbalsta struktūru veidošana, atlikušā sprieguma kontrole un virsmas kvalitātes uzlabošana.
Algoritms gudra atbalsta iegūšanai
Tradicionālo atbalsta sistēmu projektēšana ar rokām var viegli izraisīt plānu - sienu deformāciju. OQTON 3DXPERT programma izmanto uz mašīnām balstītu atbalsta optimizācijas paņēmienu, kas var automātiski izveidot tādu koku, piemēram, atbalsta struktūru, samazināt atbalsta materiāla daudzumu par 60%un regulēt plānu - sienu deformāciju 0,05 mm laikā, izmantojot vietējo šifrēšanas dizainu.
Atlikušā stresa kontroles tehnoloģija
Ātra lāzera kausēšana var radīt temperatūras gradientu, kas var viegli sabojāt slāņus. SLM risinājumu "substrāta uzsildīšana+skenēšanas stratēģijas optimizācijas" tehnoloģija samazina 718 siltummaiņa atlikušo spriegumu par 55% un tā plaisas ātrumu par 0,1%, uzsildot substrātu līdz 200 grādiem un izmantojot čeka paneļa skenēšanas ceļu.
Virsmas kvalitātes uzlabošanas process
3D drukas virsmas nelīdzenums (RA lielāks vai vienāds ar 6 μm) padarīs to daudz mazāk efektīvu siltuma apmaiņā. Jizhan Technology "ķīmiskā pulēšana+elektroķīmiskā apstrāde" var padarīt alumīnija sakausējuma siltummaiņu virsmas mazāk raupju (līdz RA0,4 μm) un ar mikrostruktūras kodināšanas palīdzību pievienot par 15% vairāk virsmas laukuma. Tas rada 22% vispārēju siltuma pārneses efektivitātes uzlabošanos.
5. Rūpnieciska lietošana: pārejot no laboratorijas uz lielo - mēroga ražošanu
Metāla 3D drukāšanas siltuma apmaiņas tehnoloģija ir veikusi lielus soļus vairākos augstos - vērtībā - pievienoto laukos:
kosmiskās aviācijas lauks
3D drukātais eļļas dzesētājs, ko Safran Group izveidojis LEAP motoriem, uzlabo siltuma apmaiņas virsmu par 40% un ietaupa svaru par 30%, izmantojot biomimētisko asinsvadu tīkla dizainu, un sasniedz lielu - mēroga ražošanu 2000 vienību ražošanā gadā ar EBM tehnoloģiju.
Kad runa ir par jaunām enerģijas automašīnām
NIO 3D - drukātai akumulatora dzesēšanas plāksnei tajā ir sīki kanāli, kas temperatūras starpību uztur zem ± 1 grāda. Tas padara akumulatoru ilgāku par 15% ilgāk nekā standarta apzīmogošanas un metināšanas metodes un samazina attīstības laiku no 12 mēnešiem līdz 4 mēnešiem.
Elektroniskā siltuma izkliedes lauks
Intel 3D drukātā vara siltuma izlietne izmanto fraktāļu koku -, piemēram, mikrokanāla dizainu, lai mikroshēmas temperatūra būtu zemāka par 85 grādiem ar siltuma plūsmas blīvumu 100W/cm². Tas padara to par 40% efektīvāku dzesēšanā nekā standarta siltuma cauruļu sistēmas.