案例：3D打印提高銅金屬熱交換器性能

魔猴君  知識(shí)堂   1223天前

增材制造提供了傳統(tǒng)制造技術(shù)無法提供的設(shè)計(jì)自由，但可實(shí)現(xiàn)的壁厚有限。由于成本原因，典型的熱交換器由鋁制成。盡管銅會(huì)是更好的選擇，因?yàn)樗哂懈叩膶?dǎo)熱性。本期，通過EOS的案例來領(lǐng)略3D 打印提高銅金屬熱交換器性能。

效仿大自然的聰明設(shè)計(jì)

在現(xiàn)代工程時(shí)代，人們?cè)噲D向自然學(xué)習(xí)以解決復(fù)雜的技術(shù)挑戰(zhàn)。而在這方面，通過人類最好的朋友（犬類）我們可以發(fā)現(xiàn)與熱交換器的共同點(diǎn)……

如果曾經(jīng)和狗玩過撿棍子游戲，可能會(huì)驚訝于我們的四只爪子的朋友們擁有如此多的耐力和“能量”。更有趣的是，狗的爪子是唯一有汗孔的區(qū)域。這就像一個(gè)人在夏天穿著毛皮大衣跑馬拉松！那么狗如何調(diào)節(jié)它的熱管理呢？很顯然，不能僅僅通過爪子非常有限的表面積發(fā)生。

訣竅就在這里：大多數(shù)過熱是通過呼吸來調(diào)節(jié)的。狗是通過舌頭充當(dāng)熱交換器的，狗的呼吸速度可以從每分鐘 30 次呼吸增加到每分鐘 300 次呼吸。同時(shí)，狗的唾液腺會(huì)產(chǎn)生更多的唾液，這些唾液會(huì)在舌頭表面蒸發(fā)。在劇烈喘息期間，舌頭迅速冷卻下來。犬的舌頭含有數(shù)量驚人的微小血管，將熱量從身體輸送到舌頭，調(diào)節(jié)狗的熱量管理。

利用大自然的”聰明設(shè)計(jì)“，犬類體重的一小部分-舌頭可以做不可思議的事情，使其成為世界上最先進(jìn)和最高效的“散熱器”之一。

將這一事實(shí)轉(zhuǎn)化為人類的技術(shù)世界，工程師受到大自然的啟發(fā)。直到今天，大多數(shù)限制都基于制造限制，因?yàn)闊o法以理想的方式制造理想的熱交換器。

提高表面積與體積比

當(dāng)分隔兩種介質(zhì)（例如水和空氣）的壁厚足夠薄時(shí)，熱導(dǎo)率可以忽略不計(jì)。這意味著，可以創(chuàng)建具有銅基換熱器性能的鋁制換熱器。對(duì)于其他屬性的應(yīng)用，例如當(dāng)耐腐蝕性是最重要的考慮因素時(shí)，可以選擇鈦或不銹鋼材料，其性能與銅熱交換器相似。

與傳統(tǒng)的增材制造相比，拿EOS的一個(gè)經(jīng)典案例來說，現(xiàn)在可以生產(chǎn)更薄 30-40% 的水/氣密壁厚，從而顯著提高表面積與體積比。簡(jiǎn)單來說，3D打印使得可以在更小的體積中進(jìn)行更多的熱交換，這非常像狗的舌頭發(fā)揮的強(qiáng)大的散熱作用。

對(duì)于換熱器來說，確保性能滿足要求并且避免泄漏是至關(guān)重要的。在EOS的案例中，在參數(shù)開發(fā)過程中，EOS使用壓降以及浸入水中測(cè)試，以實(shí)現(xiàn)盡可能薄的壁 – 同時(shí)氣密。根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，為了生成可靠的測(cè)試方法，開發(fā)人員設(shè)計(jì)了一個(gè)特定的測(cè)試結(jié)構(gòu)，由 21 個(gè)直徑為 2.5 毫米、壁厚不同的空心銷組成。由于這些壓力測(cè)試銷的設(shè)計(jì)壁厚為 0.2 毫米，非常易碎，因此設(shè)計(jì)了一個(gè)環(huán)繞的保護(hù)籠，以防止在測(cè)試準(zhǔn)備期間對(duì)銷造成任何損壞。

測(cè)試驗(yàn)證3D打印可行性

3D打印工作完成后，將測(cè)試樣品除粉，然后使用標(biāo)準(zhǔn)帶鋸分離。為了連接壓力試管，在試樣的下部通過機(jī)加工的方法切割出標(biāo)準(zhǔn)螺紋。測(cè)試是使用規(guī)定的壓縮空氣壓力進(jìn)行的，然后將試樣浸入水中進(jìn)行簡(jiǎn)單的泄漏測(cè)試，如果試樣上出現(xiàn)氣泡將清楚地表明試樣泄漏。設(shè)計(jì)還允許輕松改變傾斜度，確保在任何給定角度都可以證明壓力密封性。

在這個(gè)案例中，可以通過壓降測(cè)試進(jìn)行額外的、可能更敏感的測(cè)試。將校準(zhǔn)的壓力傳感器添加到測(cè)試場(chǎng)景中。對(duì)探頭加壓后，使用閥門關(guān)閉壓縮空氣供應(yīng)。在實(shí)驗(yàn)開始期間的壓力傳感器讀數(shù)被記錄下來，并在例如 10 分鐘的測(cè)試期間觀察，如果在規(guī)定的測(cè)試期記錄到的壓降小于某個(gè)值，則該組件可被認(rèn)為是氣密的。

來源：https://www.3ddayin.net/3Ddayinfangan/40395.html