Wie kann man Metalldrucktechnologie verwenden, um komplexe Wärmeaustauschstrukturen herzustellen?

1. Das technische Prinzip besteht darin, die geometrischen Grenzen der traditionellen Fertigung zu überwinden
Metall 3D -DruckMacht Teile, indem sie Schichten aus Metallpulver oder Draht bauen. Sein Hauptvorteil besteht darin, dass es komplizierte Innenkanäle, dünne - ummauerte Strukturen und Topologieoptimierungsdesigns herstellen kann, die andere Methoden nicht können. Zum Beispiel verwendete das Additive Manufacturing Team im Jihua Laboratory SLM -Technologie (Selektive Laserschmelze), um einen Flugzeug Heizöl -Wärmetauscher (FCOC) zu gestalten, der bei der Übertragung von Wärme zu 80% effizienter ist und 52% weniger Druck verlieren. Diese Struktur hat spiralförmige Mikrokanäle und ein biomimetisches Gitter zur Unterstützung. Es ist schwierig, diese Art von Designs mit herkömmlicher Löckchen oder Diffusionsbindung wieder herzustellen, da sie nicht dünn - ummauerte Teile, die weniger als 0,3 mm dick sind, dünn machen können.
Die häufigste Möglichkeit, komplizierte Wärmetauscher herzustellen, ist die PBF -Technologie (Pulver Bett Schmelzen), die SLM- und Elektronenstrahlschmelzen (EBM) umfasst. Zum Beispiel wurde der mit EP - M300 -Geräte für das "Desolition" -Projekt gedruckte IN718 Nickel - -basierte Legierungs -Wärmetauscher -Kern, eine Zusammenarbeit zwischen Temisth und China Yijia 3D, ohne irgendwelche Lecks gemacht. Die Flossen waren 0,15 mm dick und die Wände waren 0,5 mm dick. Dies war dank der EBM -Technologie möglich, die den traditionellen Löhneprozess von mehreren Wochen auf 130 Stunden und erhöhte Materialnutzung von 45% auf 82% erhöhte.
2. Designoptimierung: Bewegen Sie sich von der Erfahrung - basierend auf Data - basiert
Bei der Gestaltung komplizierter Wärmeaustauschsysteme müssen Sie darüber nachdenken, wie sie thermodynamisch arbeiten, wie Flüssigkeiten sich durch sie bewegen und wie stark sie sein werden. Traditionelle Designmethoden verwenden empirische Formeln sowie Versuch und Irrtum, um die beste Lösung zu finden. Die Metal 3D -Drucktechnologie hingegen verwendet die Optimierung der Topologie und das generative Design, um den Entwurfsraum erheblich zu erweitern.
Technologie zur Optimierung der Topologie
Beispielsweise verfügt die OQTON 3DXpert -Software über ein Multi - -Feld -Simulationsmodul, das automatisch die besten internen Kanallayouts abhängig von Faktoren wie Wärmeflussdichte, Druckverlust und struktureller Belastung erstellen kann. Zum Beispiel machte das Programm beim Entwerfen eines flüssigen Kaltwärmetauschers für ein Rechenzentrum den Wärmeaustausch um 35% und das Gewicht leichter um 28%, indem der Kanalwinkel (15 Grad bis 45 Grad) und der Gittersäulendurchmesser (0,2 bis 0,8 mm) geändert werden.
Gitterkonstruktion, die die Natur nachahmt
Die Wabenstruktur und das Gefäßnetzwerk in der Natur geben Ideen für die Erstellung von Wärmetauschern. Der Kupferlegierungskühler von Additive Analytics verwendet oktaedrische Gittereinheiten und erhält ein dynamisches Gleichgewicht zwischen thermischer Leitfähigkeit und Strukturfestigkeit, indem die Einheitsdichte (5% bis 30% Porosität) verändert wird. Laut experimentellen Daten verbessert dieses Design die Oberfläche um das 2,3 -fache und senkt den Wärmewiderstand auf 1/5 dessen, was es sich in Standard -Finned -Designs mit demselben Volumen befindet.
Design von Mikrokanal und chaotischer Konvektion
Die Mikrokanal -Technologie macht den Wärmeübertragungsbereich größer, indem die Fluidkanäle kleiner werden (weniger als 1 mm). Das chaotische Konvektionsdesign macht die Flüssigkeit turbulenter, indem die Kanäle auf ungleiche Weise angeordnet werden. Zum Beispiel verfügt Confluxs CPS -Systemwärme -Austauscher von CPS -System mit Mikrokanälen, die regelmäßig ausdehnen und zusammenziehen (wobei die Kanalbreite zwischen 0,1 und 0,5 mm liegt), was die Nusselt -Zahl (NU) um 40% erhöht und den Druckabfall nur um 12% senkt.
3. Auswahl von Materialien: Leistung und Prozess müssen beide gut funktionieren.
Materials used in complex heat exchange structures must meet tight standards, such as having a high thermal conductivity (>100 w/m · k), resistent gegen Korrosion und im 3D -Druck verwendet werden. Die derzeit häufigsten Materialsysteme sind:
Aluminiumlegierung, wie Alsi10mg
Sein niedriges Gewicht (2,7 g/cm³) und eine mäßige mäßige Wärmeleitfähigkeit (180 W/m · k) machen es zum besten Kühlsystem für moderne Energiefahrzeugbatterien. Die Platin -BLT - S1500 -Maschine druckt einen Wärmetauscher mit Aluminiumlegierung, der aufgrund seiner internen Gitterstruktur 40% leichter ist. Es hat auch eine Ertragsfestigkeit von 280 MPa nach T6 -Wärmebehandlung.
Kupferlegierungen wie Cucrzr und Cuni2sicr haben eine sehr hohe thermische Leitfähigkeit (401 W/m · k), aber sie funktionieren im SLM -Prozess nicht gut, weil sie Licht so gut widerspiegeln (Laserabsorptionsrate<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.
Nickel - basiert hoch - Temperaturlegierungen, wie in718
Im Bereich der Luft- und Raumfahrt ist in718 aufgrund seiner hohen Festigkeit (σ B> 1100 mPa) und der Oxidationsbeständigkeit bei 650 Grad zum Kernmaterial für Heißendkomponenten geworden. TEMISTH hat die Rissrate des In718 -Wärmetauschers von 12% auf 0,3% durch feines - abgestimmt, um die EBM -Prozessparameter (Scangeschwindigkeit von 1200 mm/s und Schichtdicke von 50 μm) zu stimmen, um die strengen Standards für Luftfahrtmotoren zu erfüllen.
4. Prozessimplementierung: Vollständige Kontrolle über den gesamten Prozess, vom Drucken bis zum Post - Verarbeitung
Es ist schwierig, anspruchsvolle Wärmeaustauschstrukturen mit Metall 3D -Druck zu machen, da drei wichtigste technische Probleme herstellen: Stützstrukturen herstellen, die Restspannung kontrollieren und die Oberflächenqualität verbessern.
Algorithmus für die Smart Support
Das Entwerfen traditioneller Unterstützungssysteme von Hand kann leicht zu einer ummauerten Verformung von - führen. Das OQTON 3DXPERT -Programm wendet eine maschinell lernbasierte Unterstützungsoptimierungstechnik an, mit der automatisch eine Baumstrukturstruktur erstellt, die Menge an Unterstützungsmaterial um 60%minimiert und das dünne - -Wolemindeformation innerhalb von 0,05 mm unter Verwendung des lokalen Verschlüsselungsdesigns reguliert wird.
Technologie zur Kontrolle der Restspannung
Schnelles Laserschmelzen kann einen Temperaturgradienten erzeugen, der die Schichten leicht brechen kann. Die "Substrat -Vorheizung+Scan -Strategie -Optimierung" -Technologie von SLM Solutions senkt die Restspannung des Wärmetauschers um 55% und die Rissrate um 0,1%, indem das Substrat auf 200 Grad vorgewärmt und einen Checkerboard -Scan -Pfad verwendet wird.
Prozess zur Verbesserung der Qualität der Oberfläche
Die Rauheit der Oberfläche des 3D -Drucks (RA größer oder gleich 6 μm) macht es beim Austausch von Wärme viel weniger effizient. Die "chemische Polierin+elektrochemische Bearbeitung" von Jizhan Technology kann die Oberflächen der Wärmetauscher von Aluminiumlegierung weniger rau (zu RA0,4 μm) und die ätzungen von 15% mehr Oberfläche durch Mikrostruktur hinzufügen. Dies führt zu einer Gesamtverbesserung der Effizienz der Wärmeübertragung von 22%.
5. Industriellen Gebrauch: vom Labor zu Big - Skala -Produktion wechseln
Metal 3D -Druckwärmeaustauschtechnologie hat große Fortschritte in einer Reihe von hohen - Wert - hinzugefügt Fields:
das Gebiet der Luft- und Raumfahrt
Der von der Safran Group für Leap -Motoren erstellte 3D -gedruckte Ölkühler verbessert die Wärmeaustauschoberfläche um 40% und spart Gewicht durch das Design des biomimetischen Gefäßnetzwerks und erreicht eine große Produktion von 2000 Einheiten pro Jahr mit EBM -Technologie.
Wenn es um neue Energieautos geht
Nios 3D - gedruckte Batteriekühlungsplatte enthält winzige Kanäle, die die Temperatur unter ± 1 Grad differenzieren. Dadurch dauert die Batterie 15% länger als Standard -Stempel- und Schweißmethoden und verkürzt die Entwicklungszeit von 12 Monaten auf 4 Monate.
Elektronische Wärmeableitungsfeld
Der 3D -gedruckte Kupferkühlkörper von Intel verwendet einen fraktalen Baum - -Smikrokanal -Design, um die Chip -Temperatur bei einer Wärmeflussdichte von 100 W/cm² unter 85 Grad zu halten. Dies macht es 40% effizienter beim Abkühlen als Standard -Wärmerohrsysteme.