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案例:3D打印提高铜金属热交换器性能

时间:2021-06-17 10:20 来源:未知 作者:中国3D打印网 阅读:

      增材制造提供了传统制造技术无法提供的设计自由,但可实现的壁厚有限。由于成本原因,典型的热交换器由铝制成。尽管铜会是更好的选择,因为它具有更高的导热性。本期,通过EOS的案例来领略3D 打印提高铜金属热交换器性能。

EOS_Copper© EOS

效仿大自然的聪明设计

       在现代工程时代,人们试图向自然学习以解决复杂的技术挑战。而在这方面,通过人类最好的朋友(犬类)我们可以发现与热交换器的共同点……

如果曾经和狗玩过捡棍子游戏,可能会惊讶于我们的四只爪子的朋友们拥有如此多的耐力和“能量”。更有趣的是,狗的爪子是唯一有汗孔的区域。这就像一个人在夏天穿着毛皮大衣跑马拉松!那么狗如何调节它的热管理呢?很显然,不能仅仅通过爪子非常有限的表面积发生。

     诀窍就在这里:大多数过热是通过呼吸来调节的。狗是通过舌头充当热交换器的,狗的呼吸速度可以从每分钟 30 次呼吸增加到每分钟 300 次呼吸。同时,狗的唾液腺会产生更多的唾液,这些唾液会在舌头表面蒸发。在剧烈喘息期间,舌头迅速冷却下来。犬的舌头含有数量惊人的微小血管,将热量从身体输送到舌头,调节狗的热量管理。

       利用大自然的”聪明设计“,犬类体重的一小部分-舌头可以做不可思议的事情,使其成为世界上最先进和最高效的“散热器”之一。

Part_EOS_Copper© EOS

将这一事实转化为人类的技术世界,工程师受到大自然的启发。直到今天,大多数限制都基于制造限制,因为无法以理想的方式制造理想的热交换器。

block 提高表面积与体积比

      当分隔两种介质(例如水和空气)的壁厚足够薄时,热导率可以忽略不计。这意味着,可以创建具有铜基换热器性能的铝制换热器。对于其他属性的应用,例如当耐腐蚀性是最重要的考虑因素时,可以选择钛或不锈钢材料,其性能与铜热交换器相似。

      与传统的增材制造相比,拿EOS的一个经典案例来说,现在可以生产更薄 30-40% 的水/气密壁厚,从而显着提高表面积与体积比。简单来说,3D打印使得可以在更小的体积中进行更多的热交换,这非常像狗的舌头发挥的强大的散热作用。

       对于换热器来说,确保性能满足要求并且避免泄漏是至关重要的。在EOS的案例中,在参数开发过程中,EOS使用压降以及浸入水中测试,以实现尽可能薄的壁 – 同时气密。根据3D科学谷的了解,为了生成可靠的测试方法,开发人员设计了一个特定的测试结构,由 21 个直径为 2.5 毫米、壁厚不同的空心销组成。由于这些压力测试销的设计壁厚为 0.2 毫米,非常易碎,因此设计了一个环绕的保护笼,以防止在测试准备期间对销造成任何损坏。

block 测试验证3D打印可行性

      3D打印工作完成后,将测试样品除粉,然后使用标准带锯分离。为了连接压力试管,在试样的下部通过机加工的方法切割出标准螺纹。测试是使用规定的压缩空气压力进行的,然后将试样浸入水中进行简单的泄漏测试,如果试样上出现气泡将清楚地表明试样泄漏。设计还允许轻松改变倾斜度,确保在任何给定角度都可以证明压力密封性。

      在这个案例中,可以通过压降测试进行额外的、可能更敏感的测试。将校准的压力传感器添加到测试场景中。对探头加压后,使用阀门关闭压缩空气供应。在实验开始期间的压力传感器读数被记录下来,并在例如 10 分钟的测试期间观察,如果在规定的测试期记录到的压降小于某个值,则该组件可被认为是气密的。

(责任编辑:中国3D打印网)

weixin
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