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金属3D打印热交换器解决方案

魔猴君  科技前沿  65天前

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HiETA成立于2011年,旨在通过增材制造的方法开发用于生产各种热管理应用的复杂、轻型结构的金属零件。制造的零件包括用于微型燃气轮机的热交换器、涡轮机械和燃烧部件,还包括那些用于燃料电池的相变换热器和综合废热回收系统,以及用于高效内燃机散热的部件。

 

传统上,热交换产品通常由焊接在一起的薄片材料制成。设计的复杂性使得生产具有挑战性并且耗时,而且用于焊接工艺的材料增加了部件的整体重量。在HiETA之前,很少有专门的机构研究通过增材制造的工艺来制造热交换器。因此,最初的挑战是确认3D打印工艺可以成功地制造足够薄的壁并且满足刚性等方面的质量要求,然后再探索如何生产具有典型热交换器复杂性的完整部件。

 

为此,HiETA开发了专用参数包,包括开发Inconel材料的无泄漏薄壁结构,厚度达150微米。通过RenishawStaffordshire工厂里的AM250HiETA在布里斯托尔和巴斯科学园附近的设备来完成产品的制造。

 

随后工程师们将所得的样品进行热处理,然后HiETA对这些零件进行表征。测试结果能够帮助工程师确认最佳加工参数,并且还帮助HiETA开发一个设计指南,设计指南包含了如何使用粉末床激光熔化技术制造热交换器中的细节,如何满足传热需求等加工方面需要注意的参数,以及如何实现无泄漏的整体墙设计与制造。

 

样品测试完成后的下一阶段是转向完整的全尺寸单元设计与制造,这方面是配合着实际的需求来进行的。英国的汽车集成商Delta Motorsports参与了两个项目。第一个是长方体换热器(换热器),用作电动车辆的扩展装置。第二个是将组件的设计变得更复杂,形状看起来与传统的长方体形状完全不同,而是更复杂的弧形设计。


 

更复杂的形状可以提高产品性能和循环效率,并降低成本。设计师设计了一种环形形式的换热器,并包含集成的歧管,是一种更紧凑的整体系统。为了进一步优化雷尼绍设备来处理较大的样品,HiETA还开发了一种从热交换器的芯中去除多余的粉末材料的提取工艺。




HiETA和雷尼绍之间的合作伙伴关系的第一个成果就是建立通过增材制造设备成功地生产薄壁结构所需的基本数据,并获取用来预测雷尼绍设备制造的热交换器性能所需的参数。



热传递和流体流动数据已被纳入HiETA使用的CFD和有限元分析程序中。这些程序可用于初步评估新组件设计的可能性能,从而确认方案是否有潜力满足客户的要求。

 

同时,雷尼绍针对热交换器制造的需求改进了软件,因为在将完整的热交换器模型切成薄层用于3D打印设备读取以规划激光扫描路径的时候,这一过程形成了大量的数据,雷尼绍改进后的软件可以有效处理这些大量的数据。



这个过程充满了不断的改进努力,第一次通过雷尼绍的AM250系统完成3D打印后,这个成功的零部件需要17天的构建时间。随着硬件和软件的改进,加上工艺参数的优化,构建时间减少到八十个小时。随后经过了一系列复杂的测试表明,该组件将满足流体压力和热传递的要求。

 

通过3D打印,HiETA生产的零件通常比市场上同等效率传统方法制造的产品重量轻40%。这是因为3D打印技术允许设计师设计单个组件中的许多新颖的高性能表面,这些集成式一体化的设计对于传统加工方法来说是非常困难的。



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