Làm thế nào để sử dụng công nghệ in kim loại để sản xuất các cấu trúc trao đổi nhiệt phức tạp?

1. Nguyên tắc kỹ thuật đang vượt qua giới hạn hình học của sản xuất truyền thống
In 3D kim loạiLàm cho các bộ phận bằng cách xây dựng các lớp bột kim loại hoặc dây. Ưu điểm chính của nó là nó có thể tạo ra các kênh nội thất phức tạp, mỏng - Các cấu trúc có tường bao quanh và các thiết kế tối ưu hóa cấu trúc liên kết mà các phương pháp khác không thể. Ví dụ, nhóm sản xuất phụ gia tại Phòng thí nghiệm Jihua đã sử dụng công nghệ nóng chảy laser chọn lọc (SLM) để tạo ra bộ trao đổi nhiệt dầu nhiên liệu (FCOC) hiệu quả hơn 80% khi chuyển nhiệt và giảm áp lực hơn 52%. Cấu trúc này có các vi mạch xoắn ốc và một mạng tinh thể sinh học để hỗ trợ. Thật khó để tạo ra các loại thiết kế này một lần nữa bằng cách sử dụng liên kết hàn hoặc khuếch tán truyền thống vì chúng không thể tạo ra các phần có tường có tường mỏng - dày dưới 0,3 mm.
Cách phổ biến nhất để làm cho các bộ trao đổi nhiệt phức tạp ngay bây giờ là với công nghệ tan chảy giường bột (PBF), bao gồm SLM và tia điện tử nóng chảy (EBM). Ví dụ, Niken in718 - Core Trao đổi nhiệt hợp kim dựa trên thiết bị EP- M300 cho dự án "Desolition", sự hợp tác giữa Temisth và Trung Quốc Yijia 3D, đã được thực hiện mà không bị rò rỉ. Các vây dày 0,15mm và các bức tường dày 0,5mm. Điều này có thể nhờ vào công nghệ EBM, đã cắt giảm quá trình hàn truyền thống từ vài tuần xuống còn 130 giờ và tăng sử dụng vật liệu từ 45% xuống còn 82%.
2. Tối ưu hóa thiết kế: Di chuyển từ trải nghiệm - dựa trên dữ liệu -
Khi thiết kế các hệ thống trao đổi nhiệt phức tạp, bạn cần suy nghĩ về cách chúng sẽ hoạt động nhiệt động, cách chất lỏng sẽ di chuyển qua chúng và chúng sẽ mạnh đến mức nào. Phương pháp thiết kế truyền thống sử dụng các công thức thực nghiệm và thử nghiệm và lỗi để tìm giải pháp tốt nhất. Mặt khác, công nghệ in 3D kim loại sử dụng tối ưu hóa cấu trúc liên kết và thiết kế tổng quát để mở rộng đáng kể không gian thiết kế.
Công nghệ tối ưu hóa cấu trúc liên kết
Ví dụ, phần mềm OQTON 3DXPERT có mô -đun mô phỏng trường vật lý đa -} có thể tự động tạo ra các bố cục kênh bên trong tốt nhất tùy thuộc vào các yếu tố như mật độ thông lượng nhiệt, mất áp suất và ứng suất cấu trúc. Ví dụ, khi thiết kế bộ trao đổi nhiệt lạnh cho trung tâm dữ liệu, chương trình đã làm cho việc trao đổi nhiệt hiệu quả hơn 35% và trọng lượng nhẹ hơn 28% bằng cách thay đổi góc kênh (15 độ đến 45 độ) và đường kính trụ cột (0,2 đến 0,8 mm).
Xây dựng mạng bắt chước thiên nhiên
Cấu trúc tổ ong và mạng lưới mạch máu trong tự nhiên đưa ra ý tưởng về cách tạo ra các bộ trao đổi nhiệt. Bộ tản nhiệt hợp kim đồng phân tích phụ gia sử dụng các đơn vị mạng tinh thể khối và có trạng thái cân bằng động giữa độ dẫn nhiệt và cường độ cấu trúc bằng cách thay đổi mật độ đơn vị (độ xốp 5% đến 30%). Theo dữ liệu thử nghiệm, thiết kế này giúp tăng cường diện tích bề mặt 2,3 lần và làm giảm điện trở nhiệt xuống 1/5 so với các thiết kế bị phạt tiêu chuẩn với cùng một khối lượng.
Thiết kế vi mạch và đối lưu hỗn loạn
Công nghệ vi mạch làm cho diện tích truyền nhiệt lớn hơn bằng cách làm cho các kênh chất lỏng nhỏ hơn (dưới 1 mm). Thiết kế đối lưu hỗn loạn làm cho chất lỏng hỗn loạn hơn bằng cách sắp xếp các kênh một cách không đồng đều. Chẳng hạn, bộ trao đổi nhiệt hệ thống CPS của Conflux có các vi mạch mở rộng và co lại thường xuyên (với chiều rộng kênh từ 0,1 đến 0,5 mm), tăng 40% số Nusselt (NU) và giảm áp suất chỉ 12%.
3. Lựa chọn tài liệu: Hiệu suất và quy trình phải hoạt động tốt.
Materials used in complex heat exchange structures must meet tight standards, such as having a high thermal conductivity (>100 W/m · K), chống ăn mòn và có thể được sử dụng trong in 3D. Các hệ thống vật liệu phổ biến nhất hiện nay là:
Hợp kim nhôm, như alsi10mg
Trọng lượng thấp (2,7g/cm³) và độ dẫn nhiệt vừa phải (180 W/m · k) làm cho nó trở thành hệ thống làm mát tốt nhất cho pin xe năng lượng hiện đại. Máy BLT BLT - S1500 in một bộ trao đổi nhiệt hợp kim nhôm nhẹ hơn 40% vì cấu trúc mạng bên trong của nó. Nó cũng có cường độ năng suất 280 MPa sau khi xử lý nhiệt T6.
Các hợp kim đồng, như Cucrzr và CUNI2SICR, có độ dẫn nhiệt rất cao (401 W/M · K), nhưng chúng không hoạt động tốt trong quá trình SLM vì chúng phản ánh ánh sáng rất tốt (tốc độ hấp thụ 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.
Niken - Dựa trên High - Hợp kim nhiệt độ, như In718
Trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, năm 718 đã trở thành vật liệu cốt lõi cho các thành phần kết thúc nóng do cường độ cao (σ b> 1100MPa) và điện trở oxy hóa ở 650 độ. Temisth đã giảm tốc độ vết nứt của bộ trao đổi nhiệt In718 từ 12% xuống 0,3% bằng FINE - Điều chỉnh các tham số quy trình EBM (tốc độ quét 1200mm/s và độ dày lớp 50 μ m) để thực hiện các tiêu chuẩn nghiêm ngặt cho các động cơ hàng không.
4. Việc thực hiện quy trình: Kiểm soát toàn bộ toàn bộ quá trình, từ in đến bài - Xử lý
Thật khó để tạo ra các cấu trúc trao đổi nhiệt tinh vi với in 3D kim loại vì ba vấn đề kỹ thuật chính: tạo cấu trúc hỗ trợ, kiểm soát căng thẳng dư và cải thiện chất lượng bề mặt.
Thuật toán để hỗ trợ thông minh
Thiết kế các hệ thống hỗ trợ truyền thống bằng tay có thể dễ dàng gây ra biến dạng có tường mỏng-. Chương trình OQTON 3DXPERT áp dụng kỹ thuật tối ưu hóa hỗ trợ dựa trên máy học, có thể tự động xây dựng một cấu trúc hỗ trợ giống như cây, giảm thiểu số lượng tài liệu hỗ trợ bằng 60%và điều chỉnh biến dạng có tường - mỏng trong 0,05mm bằng cách sử dụng thiết kế mã hóa cục bộ.
Công nghệ kiểm soát căng thẳng dư
Sự nóng chảy laser nhanh có thể tạo ra một gradient nhiệt độ có thể dễ dàng phá vỡ các lớp. Công nghệ tối ưu hóa cơ chất "Tối ưu hóa trước khi gia nhiệt cơ chất của SLM" làm giảm ứng suất dư của bộ trao đổi nhiệt In718 xuống 55% và tỷ lệ vết nứt của nó bằng 0,1% bằng cách làm nóng chất nền đến 200 độ và sử dụng đường quét bảng kiểm tra.
Quy trình cải thiện chất lượng bề mặt
Độ nhám của bề mặt in 3D (RA lớn hơn hoặc bằng 6 μ m) sẽ làm cho nó kém hiệu quả hơn trong việc trao đổi nhiệt. Quá trình "gia công điện hóa hóa học+điện hóa" của công nghệ Jizhan có thể làm cho các bề mặt của các bộ trao đổi nhiệt hợp kim nhôm kém thô hơn (đến RA0.4 m) và thêm diện tích bề mặt nhiều hơn 15% thông qua khắc vi mô. Điều này dẫn đến sự cải thiện tổng thể 22% về hiệu quả truyền nhiệt.
5. Sử dụng công nghiệp: Đi từ phòng thí nghiệm đến lớn - Sản xuất quy mô
Công nghệ trao đổi nhiệt in 3D kim loại đã có những bước tiến lớn trong một số trường cao -} - đã thêm các trường:
lĩnh vực hàng không vũ trụ
Bộ làm mát dầu in 3D được tạo ra bởi SAFran Group cho động cơ LEAP giúp tăng 40% bề mặt trao đổi nhiệt và tiết kiệm trọng lượng 30% thông qua thiết kế mạng lưới mạch máu sinh học và đạt được sản xuất quy mô- lớn của 2000 đơn vị mỗi năm với công nghệ EBM.
Khi nói đến những chiếc xe năng lượng mới
Tấm làm mát pin 3D - của NIO có các kênh nhỏ bên trong nó giữ cho sự khác biệt nhiệt độ dưới ± 1 độ. Điều này làm cho pin dài hơn 15% so với các phương pháp dán và hàn tiêu chuẩn và cắt giảm thời gian phát triển từ 12 tháng xuống còn 4 tháng.
Trường tản nhiệt điện tử
Hệ thống tản nhiệt đồng in 3D của Intel sử dụng cây fractal - như thiết kế vi mạch để giữ nhiệt độ chip dưới 85 độ ở mật độ thông lượng nhiệt là 100W/cm². Điều này làm cho nó hiệu quả hơn 40% trong việc làm mát so với các hệ thống ống nhiệt tiêu chuẩn.