كيفية استخدام تقنية طباعة المعادن لتصنيع هياكل تبادل الحرارة المعقدة؟

1. المبدأ التقني هو تجاوز الحدود الهندسية للتصنيع التقليدي
الطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاديجعل أجزاء عن طريق بناء طبقات من مسحوق أو سلك معدني. ميزةها الرئيسية هي أنه يمكن أن يصنع القنوات الداخلية المعقدة ، والهياكل الرقيقة - ، وتصميمات تحسين الطوبولوجيا التي لا تستطيع الأساليب الأخرى. على سبيل المثال ، استخدم فريق التصنيع الإضافي في مختبر JIHUA تقنية ذوبان الليزر الانتقائي (SLM) لإنشاء مبادل حراري لزيت الوقود (FCOC) بنسبة 80 ٪ في نقل الحرارة و 52 ٪ أقل عرضة لفقدان الضغط. يحتوي هذا الهيكل على القنوات الدقيقة الحلزونية والشبكة الحيوية للدعم. من الصعب صنع هذه الأنواع من التصميمات مرة أخرى باستخدام الترابط التقليدي للنحاس أو الانتشار لأنها لا يمكنها جعل الأجزاء الرقيقة - مسورة أقل من 0.3 مم.
الطريقة الأكثر شيوعًا لصنع المبادلات الحرارية المعقدة في الوقت الحالي هي تقنية ذوبان سرير المسحوق (PBF) ، والتي تشمل ذوبان شعاع SLM و Electron (EBM). على سبيل المثال ، تم طباعة Core Core المطبوعة في EP- M300 لمشروع "Desolition" ، وهو تعاون بين Temisth و China Yijia 3D ، دون أي تسرب. كانت الزعانف سميكة 0.15 ملم وكانت الجدران سميكة 0.5 ملم. كان هذا ممكنًا بفضل تقنية EBM ، التي خفضت عملية النحاس التقليدية من عدة أسابيع إلى 130 ساعة ورفعت استخدام المواد من 45 ٪ إلى 82 ٪.
2. تحسين التصميم: الانتقال من التجربة - استنادًا إلى البيانات -
عند تصميم أنظمة التبادل الحراري المعقدة ، تحتاج إلى التفكير في كيفية عملها الديناميكي الحراري ، وكيف ستتحرك السوائل من خلالها ، ومدى قوتها. تستخدم طرق التصميم التقليدية الصيغ التجريبية والتجربة والخطأ للعثور على أفضل حل. تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد المعدنية ، من ناحية أخرى ، تستخدم تحسين الطوبولوجيا والتصميم التوليدي لتوسيع مساحة التصميم بشكل كبير.
التكنولوجيا لتحسين الطوبولوجيا
على سبيل المثال ، يحتوي برنامج OQTON 3DXPERT على وحدة محاكاة حقل الفيزياء متعددة- التي يمكن أن تجعل أفضل تخطيطات القناة الداخلية تلقائيًا على عوامل مثل كثافة تدفق الحرارة ، وفقدان الضغط ، والإجهاد الهيكلي. على سبيل المثال ، عند تصميم مبادل حراري بارد سائل لمركز البيانات ، جعل البرنامج تبادل الحرارة أكثر كفاءة بنسبة 35 ٪ وأخف وزنا بنسبة 28 ٪ عن طريق تغيير زاوية القناة (15 درجة إلى 45 درجة) وقطر عمود الشبكة (0.2 إلى 0.8 مم).
بناء شعرية تحاكي الطبيعة
يقدم هيكل قرص العسل والشبكة الوعائية في الطبيعة أفكارًا لكيفية إنشاء مبادلات حرارية. يستخدم المبرد من سبيكة النحاس من التحليلات الإضافية وحدات الشبكة الثمانية ويحصل على توازن ديناميكي بين الموصلية الحرارية والقوة الهيكلية عن طريق تغيير كثافة الوحدة (5 ٪ إلى 30 ٪ مسامية). وفقًا للبيانات التجريبية ، يعزز هذا التصميم مساحة السطح بمقدار 2.3 مرة ويقلل من مقاومة الحرارة إلى 1/5 مما هو عليه في التصميمات القياسية ذات الحجم نفسه.
تصميم الحمل الحراري الفوضوي
تجعل تقنية Microchannel منطقة نقل الحرارة أكبر من خلال جعل قنوات السوائل أصغر (أقل من 1 مم). تصميم الحمل الحراري الفوضوي يجعل السائل أكثر اضطرابًا من خلال ترتيب القنوات بطريقة غير مستوية. على سبيل المثال ، يحتوي مبادل حراري نظام CONCONX على القنوات الدقيقة التي تتوسع وتتقلص بشكل منتظم (مع عرض القناة يتراوح من 0.1 إلى 0.5 مم) ، مما يرفع عدد nusselt (NU) بنسبة 40 ٪ ويقلل من انخفاض الضغط بنسبة 12 ٪ فقط.
3. اختيار المواد: يجب أن يعمل الأداء والعملية بشكل جيد.
Materials used in complex heat exchange structures must meet tight standards, such as having a high thermal conductivity (>100 واط/م · ك) ، كونها مقاومة للتآكل ، والقدرة على استخدامها في الطباعة ثلاثية الأبعاد. أنظمة المواد الأكثر شيوعًا الآن هي:
سبيكة الألومنيوم ، مثل alsi10mg
يجعل وزنه المنخفض (2.7 جم/سم) والتوصيل الحراري المعتدل (180 واط/م · ك) أفضل نظام تبريد لبطاريات مركبات الطاقة الحديثة. يقوم جهاز Platinum BLT - S1500 بطباعة مبادل حراري من سبائك الألومنيوم الذي يكون أخف بنسبة 40 ٪ بسبب بنية الشبكة الداخلية. كما أن لديها قوة إنتاجية تبلغ 280 ميجا باسكال بعد معالجة الحرارة T6.
سبائك النحاس ، مثل cucrzr و cuni2sicr ، لها توصيل حراري مرتفع للغاية (401 w/m · k) ، لكنها لا تعمل بشكل جيد في عملية SLM لأنها تعكس الضوء بشكل جيد (معدل امتصاص الليزر<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.
Nickel - مستندة إلى سبائك درجات الحرارة - ، مثل in718
في حقل الفضاء ، أصبح In718 هو المادة الأساسية للمكونات الساخنة بسبب قوتها العالية (σ b> 1100mpa) ومقاومة الأكسدة عند 650 درجة. لقد خفض Temistth معدل الكراك في المبادل الحراري IN718 من 12 ٪ إلى 0.3 ٪ عن طريق ناعم - ضبط معلمات عملية EBM (سرعة المسح البالغة 1200 مم/ثانية وسمك الطبقة البالغة 50 μ m) للوفاء بالمعايير الصارمة لمحركات الطيران.
4. تنفيذ العملية: التحكم الكامل في العملية بأكملها ، من الطباعة إلى المعالجة-
من الصعب صنع هياكل متطورة للتبادل الحراري مع الطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد بسبب ثلاث مشاكل فنية رئيسية: صنع هياكل الدعم ، والتحكم في الإجهاد المتبقي ، وتحسين جودة السطح.
خوارزمية لتقديم الدعم الذكي
يمكن أن يسبب تصميم أنظمة الدعم التقليدية باليد بسهولة تشوهًا رفيعًا -. يطبق برنامج OQTON 3DXPERT تقنية تحسين الدعم القائم على التعلم الآلي ، والتي يمكن أن تقوم تلقائيًا ببناء بنية الدعم مثل شجرة ، وتقليل مقدار مواد الدعم بنسبة 60 ٪ ، وتنظيم التشوه الجدران الرقيق - ضمن 0.05 مم باستخدام تصميم التشفير المحلي.
التكنولوجيا للسيطرة على الإجهاد المتبقي
يمكن أن يولد ذوبان الليزر السريع تدرجًا في درجة الحرارة يمكنه كسر الطبقات بسهولة. SLM Solutions '"الركيزة المسبقة+الاستراتيجية المسح الضوئي التحسين" يقلل من الإجهاد المتبقي في المبادل الحراري IN718 بنسبة 55 ٪ ومعدل الكراك بنسبة 0.1 ٪ عن طريق تسخين الركيزة إلى 200 درجة وتوظيف مسار مسح لوحة المدقق.
عملية لتحسين جودة السطح
إن خشونة سطح الطباعة ثلاثية الأبعاد (RA أكبر من أو تساوي 6 μ M) ستجعلها أقل كفاءة في تبادل الحرارة. يمكن لعملية "التلميع الكيميائي للتكنولوجيا الكيميائية+الآلات الكهروكيميائية" من Jizhan أن تجعل أسطح المبادلات الحرارية من سبيكة الألومنيوم أقل خشونة (إلى RA0.4 μ M) وإضافة مساحة أكبر بنسبة 15 ٪ من خلال حفر البنية المجهرية. هذا يؤدي إلى تحسن إجمالي بنسبة 22 ٪ في كفاءة نقل الحرارة.
5. الاستخدام الصناعي: الانتقال من المختبر إلى الإنتاج الكبير -
اتخذت تقنية تبادل حرارة الطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد خطوات كبيرة في عدد من القيمة العالية - - الحقول المضافة:
مجال الفضاء
يعزز مبرد الزيت المطبوع ثلاثي الأبعاد الذي تم إنشاؤه بواسطة Safran Group لمحركات LEAP سطح تبادل الحرارة بنسبة 40 ٪ ويوفر الوزن بنسبة 30 ٪ من خلال تصميم شبكة الأوعية الدموية الحيوية ، ويحقق إنتاجًا كبيرًا - بمقدار 2000 وحدة سنويًا مع تقنية EBM.
عندما يتعلق الأمر بسيارات الطاقة الجديدة
تحتوي لوحة تبريد البطارية المطبوعة على Nio's 3D - على قنوات صغيرة بداخلها تحافظ على تفاضل درجة الحرارة تحت ± 1 درجة. هذا يجعل البطارية تدوم 15 ٪ أطول من أساليب الختم واللحام القياسية وخفض وقت التطوير من 12 شهرًا إلى 4 أشهر.
مجال تبديد الحرارة الإلكترونية
يستخدم بالارتداد حراري النحاس المطبوع ثلاثي الأبعاد من Intel شجرة كسورية - مثل تصميم microchannel للحفاظ على درجة حرارة الشريحة أقل من 85 درجة بكثافة تدفق الحرارة من 100W/سم². هذا يجعلها أكثر كفاءة بنسبة 40 ٪ في التبريد من أنظمة أنابيب الحرارة القياسية.