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看3D打印的共形管道换热器的汹涌来势!

2019-4-29 9:40:08 点击:

    目前最热的5G功能智能手机话题来说,大多数主要手机厂商包括华为、小米、Oppo、Vivo、三星电子公司、LG电子公司等都在寻求下一代热管理解决方案,以应对高速5G环境下的散热需求。热交换已经成为限制了很多产品功能发展的一大制约因素,而3D打印正在破除这一制约之痛。

    不仅仅是5G功能智能手机,大概四年到五年时间,3D打印将扩展到包括所有类型的适合增材制造的热交换器领域,正如《3D打印与工业制造》一书所指出的,3D打印对产品的重塑,不仅包括外观,还包括性能的提升。“而在这方面,UTC联合技术公司依靠增材制造已经设计和制造下一代热交换器。

更大的引擎更好的热交换

 
图:3D打印的镍基超合金板翅式热交换器超过了传统的热交换器性能

      现代喷气飞机上的电子产品包正在执行更多任务并为更大的引擎供电,高效的冷却至关重要。热交换器是降低发动机温度的关键,当前的热交换器发展趋势是一方面需要结合更高的传热性能,一方面需要更加紧凑以适合更小的空间。

       联合技术公司(UTC)增材制造专业技术中心(AMCoE)与美国国家增材制造创新中心-America Makes,美国国防部合作,通过增材制造技术(AM)来设计和制造更高效的热交换器,比传统制造方法生产的更紧凑,更可靠的高性能产品。其他项目参与者包括Stratonics,3DSIM,3rd Dimension,康涅狄格大学和Collins航空和普惠。

       总体来说该项目开发了用于发动机热管理系统的共形风扇管道换热器,其开发背景是为了找到合适的热管理系统以满足飞机在增加里程和提高系统性能方面所遇到的更加复杂的挑战。飞机在较高温度下运行,需要有效地带走发动机的热量。同时,热交换器需要更高效,更紧凑,以满足狭窄空间的性能要求。

       今天的大多数热交换器都有直线形设计,有一定深度的矩形或管壳设计。增材制造工艺可以突破传统制造技术的局限性,从而制造复杂形状的热交换器。使用增材制造技术,我们可以自由地开发具有新型换热器拓扑结构的共形形状,提高热交换效率,并且具有保形形状的增材制造技术构造的热交换器可充分利用靠近发动机的可用空间。

       减轻重量在飞机系统中始终很重要,但在某些情况下,减小尺寸也同样重要。在这个项目中,与目前同类最佳的换热器相比,尺寸和重量都减少了约20%。事实证明通过集成集管并利用创新的拓扑结构进行传热,可以进一步减小尺寸和重量。

图:横流式热交换器设计使用薄翅片和分离板

 一体化结构与工艺实现

      而在传统的热交换器制造中涉及多种制造操作,包括成形,钎焊和焊接。使用3D打印技术,所有这些操作过程都被一次性的3D打印工艺所替代了。

而正是因为这个热交换器是以一体化的结构件形态制造完成,所以不会带有可能产生泄漏的接缝或接头,整体质量要高得多。通过选区粉末床熔化(PBF)技术,开发人员将热交换器层层构建出来,值得一提的是团队使用了光学和热成像技术进行缺陷预测和过程监控。

       材料主要是镍基合金,如INCONEL625和718以及一些先进的铝合金。团队最近开发的一些铝合金几乎与当今久经考验的航空合金一样好。而加工过程是一个复杂的过程,选区激光熔化PBF工艺具有非常多的参数设置组合,例如激光功率,扫描速度和层高度,这些参数都与最终制造出来的零部件的质量相关。

     这需要研究如何控制翅片和分型板厚度以及表面粗糙度,不仅需要关注如何制造最薄,最平滑,无缺陷的翅片和分离板以实现热交换器的性能指标。还需要关注保形热交换器的复杂几何形状和内部通道如何在没有支撑结构的情况下实现3D打印过程,这些非常薄的部件需要完美的制造出来,因为没有物理移除支撑件的通路。

       针于每种不同的设计特征,项目组确定了参数的最佳组合,以获得非常好的微观结构和材料特性。而后处理方面,项目组进行了热处理来缓解内部应力,所有的零件都经过了应力消除和HIP (热等静压),翅片不需要精加工。

       这个特殊的项目已经证明了增材制造技术本身的重要性以及对该过程有基本了解的重要性。还证明了对于复杂零件的3D打印过程来说,选择合适的构建方向,扫描策略和工艺参数的价值。

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