【案例】用Renishaw金屬3D打印機(jī)開(kāi)發(fā)熱交換器

HiETA公司成立于2011年，截至目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)了許多金屬3D打印方法，可以生產(chǎn)用于熱管理的輕量級(jí)復(fù)雜結(jié)構(gòu)，如內(nèi)燃機(jī)部件、渦輪、回收器和燃料電池?zé)峤粨Q器。如今，該公司正在借助英國(guó)Renishaw公司的激光粉床金屬3D打印機(jī)將其熱交換器從原型轉(zhuǎn)向商業(yè)生產(chǎn)。

“對(duì)于幾乎所有的項(xiàng)目，我們都在嘗試減輕部件重量和解決熱管理問(wèn)題?，F(xiàn)在通過(guò)與雷尼紹的合作，我們生產(chǎn)的元件可以比市場(chǎng)上任何同類產(chǎn)品輕40％，同時(shí)體積更小，“HiETA公司首席項(xiàng)目工程師Stephen Mellor表示，“這之所以能夠?qū)崿F(xiàn)是因?yàn)槔美啄峤B的3D打印機(jī)，我們可以許多新穎且高性能的表面集成到單一的組件上。 而采用傳統(tǒng)方法，這幾乎不可能做到?！?br />

熱交換器通常由已經(jīng)焊接在一起的薄片材料制成。但這種材料會(huì)令熱交換器很重。同時(shí)由于設(shè)計(jì)復(fù)雜，生產(chǎn)熱交換器不僅難度大而且很耗時(shí)。但采用3D打印技術(shù)就可以輕松解決這些問(wèn)題。目前，這方面的研究已經(jīng)有了許多。而HiETA希望確認(rèn)該技術(shù)能夠制造出他們需要的薄壁，然后形成一個(gè)完整的組件。另外，正如Renishaw所言，他們希望通過(guò)項(xiàng)目獲得的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)“將樣品和原型制造過(guò)程轉(zhuǎn)化為小批量生產(chǎn)”。

使用Renishaw的AM250 3D打印機(jī)，兩家公司合作創(chuàng)建了數(shù)據(jù)并開(kāi)發(fā)了參數(shù)設(shè)置，成功用鉻鎳鐵合金制造出了厚度僅150微米且無(wú)泄漏的薄壁。之后，他們采用同樣的設(shè)置，在Renishaw位于的Stone的工廠和HiETA的Bristol和Bath Science Park總部制作了樣品（隨后進(jìn)行了熱處理和表征）。最后，他們用這些樣品開(kāi)發(fā)出了“可以在合理時(shí)間內(nèi)”制造完成的全尺寸熱交換器。

兩家公司與英國(guó)Delta Motorsports一起參與了兩個(gè)獨(dú)立的建筑項(xiàng)目 — 第一個(gè)是一個(gè)立方體熱交換器（回?zé)崞鳎?，可用作電?dòng)車輛增程器；第二個(gè)是一個(gè)環(huán)形回流換熱器，目標(biāo)是將造型設(shè)計(jì)得比傳統(tǒng)立方體熱交換器更復(fù)雜，因?yàn)檫@樣可以幫助降低成本，同時(shí)提高循環(huán)效率和產(chǎn)品性能。得益于內(nèi)部的歧管，環(huán)形換熱器更緊湊，可以纏繞到其它部件周圍。

第一個(gè)成功的3D打印組件在17天內(nèi)制造完成。HiETA和Renishaw通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)讓周期縮短了80個(gè)小時(shí)，同時(shí)改進(jìn)了軟件和硬件。最后根據(jù)測(cè)試，組件的重量和體積都降低了30％，滿足傳熱和壓降的要求。

值得一提的是，除了優(yōu)化 Renishaw的設(shè)備以處理更大的樣品之外，HiETA還利用這些項(xiàng)目創(chuàng)建了一個(gè)從熱交換器內(nèi)核中提取多余粉末材料的新工藝。同時(shí)，他們還將出自項(xiàng)目的流體流動(dòng)和熱傳遞數(shù)據(jù)納入了自己的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）和有限元分析（FEA）程序，用于評(píng)估新組件設(shè)計(jì)的潛在性能。

延伸閱讀：《美高校3D打印熱交換器：效率更高，獲1300萬(wàn)資金支持》

編譯自 3DPRINT