Hoe gebruik je metaalprinttechnologie om complexe warmte -uitwisselingsstructuren te produceren?

1. Het technische principe komt voorbij de geometrische grenzen van traditionele productie
Metaal 3D -printenMaakt onderdelen door lagen metaalpoeder of draad te bouwen. Het belangrijkste voordeel is dat het ingewikkelde binnenkanalen, dunne - ommuurde structuren en topologieoptimalisatieontwerpen kan maken die andere methoden niet kunnen. Het additieve productieteam van het Jihua -laboratorium gebruikte bijvoorbeeld selectieve lasersmelten (SLM) -technologie om een ​​vliegtuigoliewarmtewisselaar (FCOC) te maken dat 80% efficiënter is bij het overbrengen van warmte en 52% minder kans om druk te verliezen. Deze structuur heeft spiraalvormige microkanalen en een biomimetisch rooster voor ondersteuning. Het is moeilijk om dit soort ontwerpen opnieuw te maken met behulp van traditionele solderen of diffusiebinding, omdat ze niet dun kunnen maken - ommuurde onderdelen die minder dan 0,3 mm dik zijn.
De meest gebruikelijke manier om op dit moment gecompliceerde warmtewisselaars te maken, is met Powder Bed Smelting (PBF) -technologie, waaronder SLM en Electron Beam Smelting (EBM). Bijvoorbeeld, de in718 nikkel - gebaseerde legering warmtewisselaar kern gedrukt met EP - M300 -apparatuur voor het "Desolition" -project, een samenwerking tussen Temisth en China Yijia 3D, werd zonder lekken gemaakt. De vinnen waren 0,15 mm dik en de wanden waren 0,5 mm dik. Dit was mogelijk dankzij EBM -technologie, die het traditionele steekprocedure van enkele weken tot 130 uur verlaagde en materiaalgebruik verhoogde van 45% tot 82%.
2. Ontwerpoptimalisatie: verplaatsen van ervaring - gebaseerd op gegevens - gebaseerd
Bij het ontwerpen van gecompliceerde warmte -uitwisselingssystemen moet u nadenken over hoe ze thermodynamisch zullen werken, hoe vloeistoffen er doorheen zullen bewegen en hoe sterk ze zullen zijn. Traditionele ontwerpmethoden gebruiken empirische formules en vallen en opstaan ​​om de beste oplossing te vinden. Metal 3D -printtechnologie maakt daarentegen gebruik van topologie -optimalisatie en generatief ontwerp om de ontwerpruimte aanzienlijk uit te breiden.
Technologie voor het optimaliseren van topologie
OQTON 3DXPERT -software heeft bijvoorbeeld een multi {- Physics Field -simulatiemodule die automatisch de beste interne kanaallay -outs kan maken, afhankelijk van factoren zoals warmtefluxdichtheid, drukverlies en structurele stress. Bij het ontwerpen van een vloeibare koude warmtewisselaar voor een datacenter maakte het programma bijvoorbeeld de warmte -uitwisseling efficiënter met 35% en het gewicht lichter met 28% door de kanaalhoek (15 graden tot 45 graden) en de roosterpilaardiameter (0,2 tot 0,8 mm) te veranderen.
Roosterconstructie die de natuur nabootst
De honingraatstructuur en het vasculaire netwerk in de natuur geven ideeën voor het creëren van warmtewisselaars. De radiator van de koperen legering van additieve analyses gebruikt octaëdrische roostereenheden en krijgt een dynamisch evenwicht tussen thermische geleidbaarheid en structurele sterkte door de eenheidsdichtheid te veranderen (5% tot 30% porositeit). Volgens experimentele gegevens verhoogt dit ontwerp het oppervlak met 2,3 keer en verlaagt de hittebestendigheid naar 1/5 van wat het is in standaard gefineerde ontwerpen met hetzelfde volume.
Ontwerp van microkanaal en chaotische convectie
Microchannel -technologie maakt het warmteoverdrachtsgebied groter door de vloeistofkanalen kleiner te maken (minder dan 1 mm). Chaotisch convectieontwerp maakt de vloeistof turbulender door de kanalen op een ongelijke manier te rangschikken. De warmtewisselaar van het CPS -systeem van Conflux heeft bijvoorbeeld microkanalen die regelmatig uitzetten en contracteren (met kanaalbreedte variërend van 0,1 tot 0,5 mm), wat het Nusselt -nummer (NU) met 40% verhoogt en de drukval met slechts 12% verlaagt.
3. Materialen kiezen: prestaties en proces moeten beide goed werken.
Materials used in complex heat exchange structures must meet tight standards, such as having a high thermal conductivity (>100 w/m · k), bestand tegen corrosie en kunnen worden gebruikt bij 3D -printen. De meest voorkomende materiaalsystemen zijn op dit moment:
Aluminiumlegering, zoals ALSI10mg
Het lage gewicht (2,7 g/cm³) en matige thermische geleidbaarheid (180 w/m · k) maken het het beste koelsysteem voor moderne batterijen van het energievoertuig. De platina BLT - S1500 machine drukt een aluminium legeringwarmtewisselaar af die 40% lichter is vanwege de interne roosterstructuur. Het heeft ook een opbrengststerkte van 280 MPa na T6 -warmtebehandeling.
Koperlegeringen, zoals Cucrzr en CUNI2SICR, hebben een zeer hoge thermische geleidbaarheid (401 w/m · k), maar ze werken niet goed in het SLM -proces omdat ze het licht zo goed reflecteren (laserabsorptiesnelheid<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 - gebaseerde hoog - temperatuurlegeringen, zoals in718
In het ruimtevaartveld is in718 het kernmateriaal geworden voor hot -eindcomponenten vanwege de hoge sterkte (σ b> 1100mpa) en oxidatieweerstand na 650 graden. Temisth heeft de scheursnelheid van de in718 warmtewisselaar verlaagd van 12% naar 0,3% door Fine - Tuning van de EBM -procesparameters (scansnelheid van 1200 mm/s en laagdikte van 50 μm) om de strikte normen voor luchtvaartmotoren te vervullen.
4. Procesimplementatie: volledige controle over het hele proces, van afdrukken tot post - verwerking
Het is moeilijk om geavanceerde warmte -uitwisselingsstructuren te maken met metaal 3D -printen vanwege drie belangrijkste technische problemen: ondersteuningsstructuren maken, restspanning regelen en de oppervlaktekwaliteit verbeteren.
Algoritme voor het maken van slimme ondersteuning
Het met de hand ontwerpen van traditionele ondersteuningssystemen kan gemakkelijk dunne - ommuurde vervorming veroorzaken. Het OQTON 3DXPERT -programma past een op machine learning gebaseerde ondersteuningsoptimalisatietechniek toe, die automatisch een boomachtige ondersteuningsstructuur kan construeren, de hoeveelheid ondersteuningsmateriaal met 60%kan minimaliseren en de dunne - ommuurde vervorming binnen 0,05 mm kan regelen met behulp van lokaal coderingsontwerp.
Technologie voor het beheersen van restspanning
Snelle lasersmelten kan een temperatuurgradiënt genereren die de lagen gemakkelijk kan breken. De technologie voor "substraat voorverwarming van SLM Solutions voorverwarming+scanstrategie" verlaagt de residuele spanning van de In718 warmtewisselaar met 55% en het scheurpercentage met 0,1% door het substraat voor te verwarmen tot 200 graden en een schockboard scanpad te gebruiken.
Proces voor het verbeteren van de kwaliteit van het oppervlak
De ruwheid van het oppervlak van 3D -printen (RA groter dan of gelijk aan 6 μm) maakt het veel minder efficiënt bij het uitwisselen van warmte. Het "chemische polijsten+elektrochemische bewerking" -proces van Jizhan Technology kan de oppervlakken van de warmtewisselaars van aluminiumlegering minder ruw maken (tot RA0,4 μm) en 15% meer oppervlakte door microstructuur etsen toevoegen. Dit leidt tot een totale verbetering van 22% in de efficiëntie van warmteoverdracht.
5. Industrieel gebruik: van het lab naar grote - schaalproductie gaan
Metal 3D Printing Heat Exchange -technologie heeft grote stappen gemaakt in een aantal hoge - waarde - toegevoegde velden:
het veld van ruimtevaart
De 3D -geprinte oliekoeler gemaakt door Safran Group voor LEAP -motoren verbetert het warmte -uitwisselingsoppervlak met 40% en bespaart gewicht met 30% door biomimetisch vasculair netwerkontwerp en bereikt grote - schaalproductie van 2000 eenheden per jaar met EBM -technologie.
Als het gaat om nieuwe energieauto's
NIO's 3D - Gedrukte batterijkoelplaat bevat kleine kanalen erin die het temperatuurdifferentieel onder ± 1 graad houden. Hierdoor duurt de batterij 15% langer dan standaardstempels- en lasmethoden en verkort de ontwikkelingstijd van 12 maanden tot 4 maanden.
Elektronisch warmtedissipatieveld
Intel's 3D -geprinte koperen koellichaam gebruikt een fractale boom - zoals microkanaalontwerp om de chiptemperatuur onder 85 graden te houden bij een warmtefluxdichtheid van 100 W/cm². Dit maakt het 40% efficiënter in koeling dan standaard warmtepijpsystemen.