金屬3D打印熱交換器解決方案

魔猴君  科技前沿   2784天前

HiETA成立于2011年，旨在通過增材制造的方法開發用于生產各種熱管理應用的復雜、輕型結構的金屬零件。制造的零件包括用于微型燃氣輪機的熱交換器、渦輪機械和燃燒部件，還包括那些用于燃料電池的相變換熱器和綜合廢熱回收系統，以及用于高效內燃機散熱的部件。

傳統上，熱交換產品通常由焊接在一起的薄片材料制成。設計的復雜性使得生產具有挑戰性并且耗時，而且用于焊接工藝的材料增加了部件的整體重量。在HiETA之前，很少有專門的機構研究通過增材制造的工藝來制造熱交換器。因此，最初的挑戰是確認3D打印工藝可以成功地制造足夠薄的壁并且滿足剛性等方面的質量要求，然后再探索如何生產具有典型熱交換器復雜性的完整部件。

為此，HiETA開發了專用參數包，包括開發Inconel材料的無泄漏薄壁結構，厚度達150微米。通過Renishaw在Staffordshire工廠里的AM250和HiETA在布里斯托爾和巴斯科學園附近的設備來完成產品的制造。

隨后工程師們將所得的樣品進行熱處理，然后HiETA對這些零件進行表征。測試結果能夠幫助工程師確認最佳加工參數，并且還幫助HiETA開發一個設計指南，設計指南包含了如何使用粉末床激光熔化技術制造熱交換器中的細節，如何滿足傳熱需求等加工方面需要注意的參數，以及如何實現無泄漏的整體墻設計與制造。

樣品測試完成后的下一階段是轉向完整的全尺寸單元設計與制造，這方面是配合著實際的需求來進行的。英國的汽車集成商Delta Motorsports參與了兩個項目。第一個是長方體換熱器（換熱器），用作電動車輛的擴展裝置。第二個是將組件的設計變得更復雜，形狀看起來與傳統的長方體形狀完全不同，而是更復雜的弧形設計。

更復雜的形狀可以提高產品性能和循環效率，并降低成本。設計師設計了一種環形形式的換熱器，并包含集成的歧管，是一種更緊湊的整體系統。為了進一步優化雷尼紹設備來處理較大的樣品，HiETA還開發了一種從熱交換器的芯中去除多余的粉末材料的提取工藝。

HiETA和雷尼紹之間的合作伙伴關系的第一個成果就是建立通過增材制造設備成功地生產薄壁結構所需的基本數據，并獲取用來預測雷尼紹設備制造的熱交換器性能所需的參數。

熱傳遞和流體流動數據已被納入HiETA使用的CFD和有限元分析程序中。這些程序可用于初步評估新組件設計的可能性能，從而確認方案是否有潛力滿足客戶的要求。

同時，雷尼紹針對熱交換器制造的需求改進了軟件，因為在將完整的熱交換器模型切成薄層用于3D打印設備讀取以規劃激光掃描路徑的時候，這一過程形成了大量的數據，雷尼紹改進后的軟件可以有效處理這些大量的數據。

這個過程充滿了不斷的改進努力，第一次通過雷尼紹的AM250系統完成3D打印后，這個成功的零部件需要17天的構建時間。隨著硬件和軟件的改進，加上工藝參數的優化，構建時間減少到八十個小時。隨后經過了一系列復雜的測試表明，該組件將滿足流體壓力和熱傳遞的要求。

通過3D打印，HiETA生產的零件通常比市場上同等效率傳統方法制造的產品重量輕40％。這是因為3D打印技術允許設計師設計單個組件中的許多新穎的高性能表面，這些集成式一體化的設計對于傳統加工方法來說是非常困難的。

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