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      1. 人在捷泰

        案例:3D打印提高銅金屬熱交換器性能

        增材制造提供了傳統制造技術無法提供的設計自由,但可實現的壁厚有限。由于成本原因,典型的熱交換器由鋁制成。盡管銅會是更好的選擇,因為它具有更高的導熱性。通過EOS的案例來領略3D 打印提高銅金屬熱交換器性能。

        © EOS

        效仿大自然的聰明設計

        在現代工程時代,人們試圖向自然學習以解決復雜的技術挑戰。而在這方面,通過人類最好的朋友(犬類)我們可以發現與熱交換器的共同點……

        如果曾經和狗玩過撿棍子游戲,可能會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域。這就像一個人在夏天穿著毛皮大衣跑馬拉松!那么狗如何調節它的熱管理呢?很顯然,不能僅僅通過爪子非常有限的表面積發生。

        訣竅就在這里:大多數過熱是通過呼吸來調節的。狗是通過舌頭充當熱交換器的,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,狗的唾液腺會產生更多的唾液,這些唾液會在舌頭表面蒸發。在劇烈喘息期間,舌頭迅速冷卻下來。犬的舌頭含有數量驚人的微小血管,將熱量從身體輸送到舌頭,調節狗的熱量管理。

        利用大自然的”聰明設計“,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和最高效的“散熱器”之一。

        © EOS

        將這一事實轉化為人類的技術世界,工程師受到大自然的啟發。直到今天,大多數限制都基于制造限制,因為無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

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

        與傳統的增材制造相比,拿EOS的一個經典案例來說,現在可以生產更薄 30-40% 的水/氣密壁厚,從而顯著提高表面積與體積比。簡單來說,3D打印使得可以在更小的體積中進行更多的熱交換,這非常像狗的舌頭發揮的強大的散熱作用。

        對于換熱器來說,確保性能滿足要求并且避免泄漏是至關重要的。在EOS的案例中,在參數開發過程中,EOS使用壓降以及浸入水中測試,以實現盡可能薄的壁 – 同時氣密。根據了解,為了生成可靠的測試方法,開發人員設計了一個特定的測試結構,由 21 個直徑為 2.5 毫米、壁厚不同的空心銷組成。由于這些壓力測試銷的設計壁厚為 0.2 毫米,非常易碎,因此設計了一個環繞的保護籠,以防止在測試準備期間對銷造成任何損壞。

        測試驗證3D打印可行性

        3D打印工作完成后,將測試樣品除粉,然后使用標準帶鋸分離。為了連接壓力試管,在試樣的下部通過機加工的方法切割出標準螺紋。測試是使用規定的壓縮空氣壓力進行的,然后將試樣浸入水中進行簡單的泄漏測試,如果試樣上出現氣泡將清楚地表明試樣泄漏。設計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。

        在這個案例中,可以通過壓降測試進行額外的、可能更敏感的測試。將校準的壓力傳感器添加到測試場景中。對探頭加壓后,使用閥門關閉壓縮空氣供應。在實驗開始期間的壓力傳感器讀數被記錄下來,并在例如 10 分鐘的測試期間觀察,如果在規定的測試期記錄到的壓降小于某個值,則該組件可被認為是氣密的。

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