Como usar a tecnologia de impressão de metal para fabricar estruturas complexas de troca de calor?

1. O princípio técnico está superando os limites geométricos da fabricação tradicional
Impressão 3D de metalFaz peças por camadas de construção de metal em pó ou arame. Sua principal vantagem é que ele pode criar canais interiores complicados, finas - estruturas paradas e projetos de otimização de topologia que outros métodos não podem. Por exemplo, a equipe de fabricação aditiva do Jihua Laboratory usou a tecnologia de fusão a laser seletiva (SLM) para tornar um trocador de calor de óleo combustível de aeronave (FCOC) que é 80% mais eficiente na transferência de calor e 52% menos probabilidade de perder pressão. Essa estrutura possui microcanais espirais e uma rede biomimética para apoio. É difícil fazer esses tipos de desenhos novamente usando peças tradicionais de brasagem ou difusão, pois não podem tornar as peças de paredes finas - com menos de 0,3 mm de espessura.
A maneira mais comum de criar trocadores de calor complicados agora é com a tecnologia de fusão de leito de pó (PBF), que inclui SLM e fusão de feixe de elétrons (EBM). Por exemplo, o níquel IN718 - baseado no trocador de calor do trocador de calor impresso com o equipamento EP - M300 para o projeto "Desolition", uma colaboração entre Temisth e China Yijia 3D, foi feita sem vazamentos. As barbatanas tinham 0,15 mm de espessura e as paredes tinham 0,5 mm de espessura. Isso foi possível graças à tecnologia EBM, que reduziu o processo tradicional de brasagem de várias semanas para 130 horas e aumentou a utilização de materiais de 45% para 82%.
2. Otimização do projeto: movendo da experiência - baseado em dados - baseado
Ao projetar sistemas complicados de troca de calor, você precisa pensar em como eles funcionarão termodinamicamente, como os fluidos se moverão através deles e quão fortes eles serão. Os métodos de design tradicionais usam fórmulas empíricas e tentativa e erro para encontrar a melhor solução. A tecnologia de impressão 3D de metal, por outro lado, usa otimização de topologia e design generativo para expandir bastante o espaço de design.
Tecnologia para otimizar a topologia
Por exemplo, o software OQTON 3DXPERT possui um módulo de simulação de campo de física multi - que pode fazer automaticamente os melhores layouts de canal interno, dependendo de fatores como densidade de fluxo de calor, perda de pressão e estresse estrutural. Por exemplo, ao projetar um trocador de calor líquido de frio para um data center, o programa tornou a troca de calor mais eficiente em 35% e o peso mais leve em 28% alterando o ângulo do canal (15 graus para 45 graus) e o diâmetro do pilar da treliça (0,2 a 0,8 mm).
Construção de treliça que imita a natureza
A estrutura do favo de mel e a rede vascular da natureza fornecem idéias sobre como criar trocadores de calor. O radiador de liga de cobre da Analytics Analytics usa unidades de rede octaédricas e obtém um equilíbrio dinâmico entre condutividade térmica e força estrutural alterando a densidade unitária (porosidade de 5% a 30%). De acordo com dados experimentais, esse projeto aumenta a área de superfície em 2,3 vezes e reduz a resistência ao calor a 1/5 do que é em projetos de barbatana padrão com o mesmo volume.
Design de microcanal e convecção caótica
A tecnologia de microcanal aumenta a área de transferência de calor, tornando os canais de fluido menores (menos de 1 mm). O design caótico da convecção torna o fluido mais turbulento, organizando os canais de uma maneira irregular. Por exemplo, o trocador de calor do sistema CPS do Conflux possui microcanais que expandem e se contraem regularmente (com a largura do canal variando de 0,1 a 0,5 mm), o que aumenta o número de Nusselt (NU) em 40% e reduz a queda de pressão em apenas 12%.
3. Escolher materiais: desempenho e processo devem funcionar bem.
Materials used in complex heat exchange structures must meet tight standards, such as having a high thermal conductivity (>100 w/m · k), sendo resistente à corrosão e sendo capaz de ser usado na impressão 3D. Os sistemas materiais mais comuns agora são:
Liga de alumínio, como alsi10mg
Seu baixo peso (2,7g/cm³) e condutividade térmica moderada (180 W/m · k) o tornam o melhor sistema de refrigeração para as baterias modernas de veículos de energia. A máquina Platinum BLT - S1500 imprime um trocador de calor de liga de alumínio que é 40% mais leve devido à sua estrutura de treliça interna. Ele também possui uma resistência ao escoamento de 280 MPa após o tratamento térmico de T6.
As ligas de cobre, como CUCRZR e CUNI2SICR, têm condutividade térmica muito alta (401 W/m · k), mas não funcionam bem no processo SLM porque refletem a luz tão bem (taxa de absorção a laser<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.
Níquel - baseado em altos - ligas de temperatura, como IN718
No campo aeroespacial, o IN718 tornou -se o material central para os componentes finais de quentes devido à sua alta resistência (σ b> 1100MPa) e resistência a oxidação a 650 graus. O Temisth reduziu a taxa de trincas do trocador de calor IN718 de 12% para 0,3% por fina - ajustando os parâmetros do processo EBM (velocidade de varredura de 1200 mm/se a espessura da camada de 50 μm) para cumprir os padrões estritos para mecanismos de aviação.
4. Implementação do processo: controle total sobre todo o processo, da impressão à postagem - processamento
É difícil criar estruturas sofisticadas de troca de calor com impressão 3D de metal devido a três problemas técnicos principais: fazer estruturas de suporte, controlar o estresse residual e melhorar a qualidade da superfície.
Algoritmo para fazer suporte inteligente
Projetar sistemas de suporte tradicionais manualmente pode causar facilmente deformação fina -. O programa OQTON 3DXPERT aplica uma técnica de otimização baseada em aprendizado de máquina, que pode construir automaticamente uma estrutura de suporte, minimizar a quantidade de material de suporte em 60%e regular a deformação fina -} em 0,05 mm usando o design de criptografia local.
Tecnologia para controlar o estresse residual
A fusão rápida a laser pode gerar um gradiente de temperatura que pode prontamente quebrar as camadas. A tecnologia de pré -aquecimento do substrato da SLM Solutions "da SLM Solutions" reduz o estresse residual do trocador de calor IN718 em 55% e sua taxa de trincas em 0,1% ao pré -aquecer o substrato a 200 graus e empregar um caminho de varredura de checker.
Processo para melhorar a qualidade da superfície
A rugosidade da superfície da impressão 3D (RA maior ou igual a 6 μm) a tornará muito menos eficiente na troca de calor. O processo de "polimento químico+usinagem eletroquímica" da Jizhan Technology pode tornar as superfícies dos trocadores de calor da liga de alumínio menos ásperos (a RA0,4 μm) e adicionar 15% mais área superficial através da gravação da microestrutura. Isso leva a uma melhoria geral de 22% na eficiência da transferência de calor.
5. Uso industrial: Indo do laboratório para Big - Produção em escala
A tecnologia de troca de calor de impressão 3D de metal fez grandes avanços em vários campos adicionados -- {2} adicionados:
o campo da aeroespacial
O refrigerador de óleo impresso em 3D criado pelo Safran Group for Leap Motores aprimora a superfície de troca de calor em 40% e economiza peso em 30% através do design da rede vascular biomimética e atinge a produção grande -} de 2000 unidades por ano com a tecnologia EBM.
Quando se trata de novos carros de energia
A placa de resfriamento de bateria impressa 3D - da NIO possui canais minúsculos dentro dela que mantêm o diferencial de temperatura em ± 1 grau. Isso faz com que a bateria durar 15% mais que os métodos padrão de estampagem e soldagem e reduz o tempo de desenvolvimento de 12 meses a 4 meses.
Campo de dissipação de calor eletrônico
O dissipador de calor de cobre impresso em 3D da Intel usa uma árvore fractal - como o design do microcanal para manter a temperatura do chip abaixo de 85 graus a uma densidade de fluxo de calor de 100w/cm². Isso o torna 40% mais eficiente no resfriamento do que os sistemas padrão de tubos de calor.