案例洞悉环形设计带点阵结构的换热器3D打印的各种挑战-金属3D打印工厂

案例洞悉环形设计带点阵结构的换热器3D打印的各种挑战-金属3D打印工厂插图

✅大唐盛世-3D打印一站式服务平台,专注于金属3D打印的设计、加工、定制生产及应用,为新老用户提供钛合金3D打印、不锈钢3D打印、铝合金3D打印、模具钢3D打印等近百种金属3D打印加工服务及综合解决方案。大唐盛世多年金属3D打印经验,打印精密度高(误差小于0.05mm),售后保证,不满意可重做。

案例洞悉环形设计带点阵结构的换热器3D打印的各种挑战

| 3DScienceValley · 2022/03/14

根据3D科学谷的市场了解,热交换器与人体肺部的功能相似。肺可以循环人体呼吸的空气,使身体保持最佳性能,同时调节身体的温度。像燃气轮机这样的发电设备中的热交换器基本上执行相同的功能,当然这些热交换器工作在极端的温度和压力条件下。

那么当前3D打印换热器发展到什么样的阶段了?主要面临的挑战是怎样的?本期,3D科学谷分享的案例是关于来自澳大利亚的Conflux在换热器3D打印领域的多年探索。

案例洞悉环形设计带点阵结构的换热器3D打印的各种挑战

热交换器类型

© 3D科学谷白皮书

极端条件下表现出色的热交换器

根据3D科学谷,热交换器对设备可以长效稳定运行起到了关键的作用。增材制造-3D打印用于热交换器的制造满足了产品趋向紧凑型、高效性、模块化、多材料的发展趋势。特别是用于异形、结构一体化、薄壁、薄型翅片、微通道、十分复杂的形状、点阵结构等加工,3D打印具有传统制造技术不具备的优势。

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 Conflux的环形超⾼性能热交换器开创技术

基于多年的专注与不断探索,Conflux克服了众多设计和制造挑战,开发了一种新的基础换热器设计。通道⾼度可以很容易地调整,同时确定热交换器的尺⼨(例如降低流动阻力或压降等),提供满⾜不同边界条件的灵活性,从⽽为航空航天、海洋和赛⻋等众多应⽤提供服务。

根据Conflux 各种环形圈应⽤现在都处于有利地位,可以超越⽬前市场上的任何产品。圆形更擅⻓均匀分布压力,因此这种设计的热交换器的结构使其能够在极端条件下表现出⾊,并为实现快速配置和部署的标准化设计奠定了基础。

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© Conflux

通过在通道内添加或减少翅⽚和混合结构来改变表⾯积密度的能力使 Conflux能够微调性能,并且由于将流体供应到热交换器中的管道是圆形的,因此环形设计可以确保整个交换器的流动均匀。

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 薄壁挑战

根据3D科学谷的了解,在热交换器领域,AM -增材制造的优势在于能够将热交换器芯和歧管作为单个整体部件生产。传统上生产热交换器的方法是制造单独的翅片或板并将它们粘合或焊接在一起。这是一种手动技术,如果任何这些钎焊接头之间出现故障,都可能导致热交换器出现故障。因此,3D打印所实现的在单个制造过程中生产所有内部结构是有利的。

打造一体化热交换器,其热交换的性能随着壁的变薄⽽提⾼,薄壁允许在不增加阻塞的情况下增加表⾯积,或者在不增加压降的情况下保持表⾯积并减⼩零件尺⼨。薄壁也意味着较低的零件质量,Conflux解决了创建环形换热器的挑战,并找到了各种克服这些挑战的⽅法。更薄、更精简、⾼性能,Conflux通过激光粉末床熔化金属3D打印技术 (LPBF)实现了热交换器微管设计,这是具有数千个管壁厚度仅为⼏分之一毫⽶的管⼦。

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© Conflux

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 设计文件处理挑战

不过越是复杂的热交换器越具备极其精细的设计细节,这导致 CAD ⽂件非常⼤,以⾄于计算机总是会崩溃或者需要⻓达五 天的时间才能印出来。

通过创新的CAD建模, Conflux在设计过程中部署了参数化建模⽅法,可以根据边界条件和其他要求进行调整,并实现快速配置。

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© Conflux

其中环形换热器需要可调节以满⾜不同边界条件,Conflux必须找到一种⽅法来开发歧管,该歧管可以将流体从单个⼊⼝连接均匀地分配到通向核⼼的许多环层。解决⽅案 是使⽤了在冷热之间交替的同⼼通道层。

Conflux还提出了一种独特、⾼效的歧管,⽤于 以⾮常均匀的流量分布将流体输送到核⼼,从⽽消除“死区”。⽤于处理⼤型⽂件的定制和简化⽅法使 Conflux能够解决 CAD 程序的限制,同时缩短 从建模、模拟到制造所需的时间。

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 产品验证的挑战

根据3D科学谷的了解,虽然通过3D打印所带来的热交换器表面积的增加会提高热交换效率,但是也会带来热交换器的压降。表面积和压降之间的这种平衡是换热器设计人员每天都面临的平衡挑战。

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© Conflux

此外,增材制造带来的最大的挑战往往是在验证和测试阶段,包括如何确保所有的粉末都已从通道中清除,并且所有的壁都已在内部完美地创建。当前有许多无损测试技术,例如用于检查粉末的共振测试或用于检查结构完整性的 CT 扫描。然而,CT 扫描可能是一个昂贵的过程。此外,如果采用 Inconel 等致密材料生产换热器,甚至不可能深入表面几厘米以检查部件的完整性。

仿真是提高产品通过验证的一个有效路径,在本案例中,Conflux通过从其他热交换器的测试中建⽴一个⼤型相关数据库来实现预测的准确性, 然后将该数据带回模拟中以查找结果之间的差异,Conflux的⽅法使 Conflux能够模拟以优化基本核⼼设计,并确保与实际结果密切相关。

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 走向批量制造

3D科学谷在《3D打印产业化机遇与挑战白皮书》中提到热交换器将是下一个产业化领域。而究竟3D打印将在热交换器的产业化方面达到怎样的影响力和覆盖面,这不仅仅取决于3D打印设备,材料的价格,还取决于工艺质量是否能够达到一致可控,以及标准与认证的完善。

在本案例中,⽤于批量⽣产的可靠、 一致的零件 环形热交换器成功的关键在于 Conflux能够创建可靠的参数集、3D 打印机的配置说明,以实现 一致的厚度和⽓密结构。

存在的挑战之一是通过 LBPF这种3D打印技术,粉末残留是不可避免的,鉴于圆环的复杂⼏何形状, Conflux需要 找到一种⽅法来完全去除粉末。如果 Conflux不能做到这一点,残留粉末会阻碍 流体流动。

使⽤ Conflux多年来开发的构建参数优化, Conflux尝试了参数挑战和不断的测试,直到 Conflux 成功地可靠地⽣成了极⼩、复杂的⼏何图形。据称,这些参数是必不可少的,没有它们,任何试图制造环形核⼼的公司都⽆法复制 Conflux的结果。

✅大唐盛世是一站式金属3D打印服务平台,长年专注于金属3D打印的设计、定制加工、小批量生产及后工序处理,拥有多年精密零件金属3D打印成型经验,旗下的大型金属3D打印生产基地位于东莞大朗镇光辉高新产业园,上万平米的打印生产制造车间,50多台高精度金属3D打印设备,CNC加工中心、4轴加工中心、5轴加工中心、三轴加工中心、铣床、数控车床、三坐标、精雕机、电火花机、钻攻机等配套设备上百台,擅长小公差、复杂结构原型、高精密度的金属零件小批量生产。为新老用户提供钛合金3D打印、铝合金3D打印、不锈钢3D打印、模具钢3D打印等近百种金属3D打印加工服务及综合解决方案。通过我们3D打印加工的产品被广泛应用于机械、医疗、通讯、电子、电器、汽车、航空航天等各行各业。公司自成立以来始终坚持:为客户提供满意的产品和服务的基本质量方针,严格执行ISO9001质量管理体系,加强6S质量体系的内部实施,并且通过全体员工的共同努力,让每一位客户对我们的服务及产品质量都表示满意。金属3D打印定制就到大唐盛世!

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