Перспективы печати теплообменников для двигателей

Изготовление теплообменников при помощи аддитивного производства имеет огромные перспективы. Доктор О'Хара, руководитель подразделения компании nTopology поясняет, почему это найдет массовое применение в ближайшее время: «Самое большое ограничение для двигателей как внутреннего сгорания, так и ракетных – это отвод тепла и его удаление. Тепло от турбинного двигателя, электронного устройства или рабочей жидкости часто должно транспортироваться таким образом, чтобы обеспечить поддержание критического технологического процесса, от которого исходит тепло. Теплообменники имеют ключевое значение для этих процессов и требуют сложной внутренней геометрии, чтобы быть эффективными. 3D-печатные теплообменники способны обеспечить огромный прирост производительности за счет увеличения площади поверхности и уменьшения толщины стенок, чтобы обеспечить обмен теплом способами, которые просто невозможны при традиционном проектировании и изготовлении на станках с ЧПУ».

Увеличение теплопередачи на 300%

Рассматриваемая на иллюстрации деталь представляет собой высокоэффективный теплообменник (HEX), используемый в аэрокосмической промышленности. Он пришла на смену устаревшего шестигранного теплообменника, заполненного внутри многочисленными трубками. Дело в том, что традиционный теплообменник не позволял повысить мощность двигателя.

В этом случае платформа проектирования nTop позволила инженерам определить объем детали для модифицированной конструкции теплообменника, максимизируя площадь поверхности при минимизации толщины внутренних стенок и, соответственно, массы изделия. Площадь поверхности детали была максимизирована с помощью Трехпериодической минимальной поверхности (TPMS), также известной как гироидная структура. Внедрив эту структуру в конструкцию теплообменника, команда добилась увеличения площади поверхности на 146% по сравнению с традиционными трубчатыми и оболочечными шестигранными теплообменниками того же размера.

«В сочетании с 3D-печатью эти структуры TPMS позволяют проектировать детали с высокими требованиями к прочности и тепловыделению таким образом, который ранее был невозможен», - уточняет О'Хара.

Толщина стенки компонента была сведена к минимуму во многом благодаря использованию нанофункционального высокопрочного алюминиевого сплава серии 7000 (7A77), который был разработан специально для аддитивного производства. Высокая прочность металла позволила сделать более тонкие внутренние стенки в теплообменнике без ущерба для прочности или производительности. Причем структура гироида имеет стенки примерно вдвое меньшей толщины, чем те, которые сделаны из традиционных литейных алюминиевых сплавов для 3D-печати. В целом, увеличенная площадь поверхности и минимизированная толщина стенок изделия привели к увеличению теплопередачи на 300%, по сравнению со стремительно устаревающими теплообменниками.

Источник: nTopology