【案例】用Renishaw金属3D打印机开发热交换器

HiETA公司成立于2011年,截至目前已经开发了许多金属3D打印方法,可以生产用于热管理的轻量级复杂结构,如内燃机部件、涡轮、回收器和燃料电池热交换器。如今,该公司正在借助英国Renishaw公司的激光粉床金属3D打印机将其热交换器从原型转向商业生产。

“对于几乎所有的项目,我们都在尝试减轻部件重量和解决热管理问题。现在通过与雷尼绍的合作,我们生产的元件可以比市场上任何同类产品轻40%,同时体积更小,“HiETA公司首席项目工程师Stephen Mellor表示,“这之所以能够实现是因为利用雷尼绍的3D打印机,我们可以许多新颖且高性能的表面集成到单一的组件上。 而采用传统方法,这几乎不可能做到。”

热交换器通常由已经焊接在一起的薄片材料制成。但这种材料会令热交换器很重。同时由于设计复杂,生产热交换器不仅难度大而且很耗时。但采用3D打印技术就可以轻松解决这些问题。目前,这方面的研究已经有了许多。而HiETA希望确认该技术能够制造出他们需要的薄壁,然后形成一个完整的组件。另外,正如Renishaw所言,他们希望通过项目获得的经验和知识“将样品和原型制造过程转化为小批量生产”。

使用Renishaw的AM250 3D打印机,两家公司合作创建了数据并开发了参数设置,成功用铬镍铁合金制造出了厚度仅150微米且无泄漏的薄壁。之后,他们采用同样的设置,在Renishaw位于的Stone的工厂和HiETA的Bristol和Bath Science Park总部制作了样品(随后进行了热处理和表征)。最后,他们用这些样品开发出了“可以在合理时间内”制造完成的全尺寸热交换器。

两家公司与英国Delta Motorsports一起参与了两个独立的建筑项目 — 第一个是一个立方体热交换器(回热器),可用作电动车辆增程器;第二个是一个环形回流换热器,目标是将造型设计得比传统立方体热交换器更复杂,因为这样可以帮助降低成本,同时提高循环效率和产品性能。得益于内部的歧管,环形换热器更紧凑,可以缠绕到其它部件周围。

第一个成功的3D打印组件在17天内制造完成。HiETA和Renishaw通过优化工艺参数让周期缩短了80个小时,同时改进了软件和硬件。最后根据测试,组件的重量和体积都降低了30%,满足传热和压降的要求。

值得一提的是,除了优化 Renishaw的设备以处理更大的样品之外,HiETA还利用这些项目创建了一个从热交换器内核中提取多余粉末材料的新工艺。同时,他们还将出自项目的流体流动和热传递数据纳入了自己的计算流体动力学(CFD)和有限元分析(FEA)程序,用于评估新组件设计的潜在性能。