3Dプリントが未来志向の次世代熱交換器をどのように実現できるかを分析する
3Dサイエンスバレーの市場観察によると、Gen3Dは、マルチマテリアル3D印刷ソリューションプロバイダーであるAerosintのプロジェクトに参加し、マルチマテリアル熱交換器の設計と製造に協力しました。 熱交換器の外面はステンレス鋼で印刷され、熱交換器の内面（2つの流体間で熱を伝達するための表面として）は高導電性の銅合金で作られています
これは、将来の積層造形熱交換器で見られる可能性のある一例にすぎません。今号では、3DサイエンスバレーとGu3Dプリンティングによって開かれた次世代熱交換器について説明します。
https://www.htrlaser.com/product-p1921371.html
▲Aerosintマルチマテリアル3Dプリント
Aerosint
▲Gen3D
...。
大きな頭脳を持つ新しいデザインコンセプト
AM-積層造形の利点は、熱交換器のコアとマニホールドを単一の一体部品として製造できることです。熱交換器を製造する従来の方法は、個々のフィンまたはプレートを製造し、それらを接着または溶接することです。これは手動の手法です。これらのろう付けされたジョイントのいずれかが故障すると、熱交換器が故障する可能性があります。したがって、3D印刷では、単一の製造プロセスですべての内部構造を製造することが有利です。
アディティブマニュファクチャリングを使用して、カスタムの形状とサイズの熱交換器を作成できます。これは、多くのコンポーネントがコンパクトなボリュームにパッケージ化されているモータースポーツなどの業界で一般的です。 AMアディティブマニュファクチャリングテクノロジーはこれに非常に適しているため、カスタム形状とマニホールドをコンパクトなスペースボリュームに直接適合するように設計できます。
金属添加剤の製造プロセス（レーザー粉末床溶融など）では、非常に薄い壁の材料を印刷できます。厚さ0.1mmなどの壁をうまく製造することは可能ですが、これには課題がないわけではありませんが、通常、これらの薄壁構造を製造するためのプロセスパラメータを開発する必要があります。ただし、薄壁の特性により、熱交換器には理想的な選択肢です。
材料に関しては、積層造形を使用してさまざまな材料の熱交換器を製造できます.3Dサイエンスバレーの市場観察によると、アルミニウム合金から、インコネル718やインコネル625などの高温合金、およびその他の材料まで、銅や銅合金など。これらの材料も使用でき、熱伝達用途に最適です。その中で、3Dサイエンスバレーのグローバル戦略パートナーであるAMPowerの予測によると、3Dプリント銅合金の年間成長率は46.6％に達するでしょう。これは、熱交換器、燃焼室、銅インダクター、その他の製品のアプリケーション開発によるものです。
/熱交換器の設計における課題
ただし、3Dサイエンスバレーの理解によれば、熱伝達は伝導、対流、放射の3つの要素によって制御されるため、熱交換器の設計は非常に困難な場合があります。
▲Gen3D
kは熱伝導率であり、通常は材料の選択に依存するため、熱伝導率が最も高い材料を使用するのが理にかなっているようです。ただし、無制限のアプリケーション向けに熱交換器を設計する場合、相反する仕様要素を検討する必要があることがよくあります。したがって、材料の熱伝導率は非常に重要ですが、材料の強度、密度、および融点も考慮する必要があります。これらの要素の組み合わせは、熱交換器の設計に最適な材料を見つけるのに役立ちます。
A要素は、熱伝達に使用される表面積を最大化する必要があることを示します。
dxは、熱交換器の壁の厚さを定義します。壁の厚さが薄いほど、壁全体の熱伝導率が高くなります。したがって、熱交換器を設計する場合、壁の厚さは通常、積層造形プロセスの設計上の制約になります。
現在、原則として、レーザー粉末造形法（LPBF）材料の積層造形の最小肉厚は約0.5mmです。ただし、これらはガイドラインにすぎず、パラメータを慎重に最適化することで、最小肉厚をこの値よりはるかに低く最適化できます。
肉厚設計に加えて、表面積を最大化することで熱交換効率も向上させることができます。 3Dサイエンスバレーの市場観測によると、人気のある熱交換器の格子タイプはTPMS格子（最小三重周期表面）です。 TPMS格子を使用すると、TPMS方程式のみを使用して熱交換器を複数のドメインに分割できます。
熱が放散されると、対流によって自然に空気がラジエーターのフィンを通って流れます。 TPMSタイプのラジエーターの回転フィンは、境界層の混合を強化し、従来のラジエーター設計と比較してより高い有効表面積を提供する可能性があります。
5mw緑色レーザー
/ TPMSの4または2ストローク
3Dサイエンスバレーの市場観察によると、TPMS格子モデリングを提供できる多くの商用ソフトウェアが市場に出回っています。現在人気のあるソフトウェアには、nTopologyとGen3Dが含まれます。
nTopは、高度な製造における設計とシミュレーションのための計算モデリングプラットフォームです。nTopの駆動方法は、設計、シミュレーション、製造の知識を統合し、自動化を実現するため、エンジニアは設計の自由度を高め、ワークフローを改善できます。
以下は、Gen3Dを使用した表面格子の使用例です。Gen3Dでセルサイズと格子密度を変更することにより、熱交換器のパラメータを調整できます。TPMSトリプル周期による最小表面は、熱交換器。
TPMSトリプルピリオド最小表面設計と3D印刷パラダイムの最新の開発である、3Dサイエンスバレーはかつて、論文「STLフリー設計と製造パラダイムのための高精度粉末床融合のためのSTLフリー設計と製造パラダイム」を共有しました高精度パウダーベッドフュージョン」は、STLフリーのコンセプトを通じて効率の問題を解決し、設計と製造の2つの側面をカバーします。具体的には、設計の暗黙的なソリッドモデリングは、製造の直接スライスとシームレスに統合されます。
/チャレンジを進めてください
ただし、表面積が増えると熱交換器の圧力が低下するため、注意が必要です。表面積と圧力損失のこのバランスは、熱交換器の設計者が毎日直面するバランスの課題です。
未来志向のデザインについては、3Dサイエンスバレーが以前に発行した「自然の蟻と木に触発され、未来志向のデザインを構築するためのソフトウェアを生成する」を参照してください。
さらに、最大の課題は、多くの場合、すべての粉末がチャネルから除去され、すべての壁が内部に完全に作成されていることを確認する方法など、検証およびテスト段階にあります。粉末をチェックするための共振テストや構造の完全性をチェックするためのCTスキャンなど、多くの非破壊テスト手法があります。ただし、CTスキャンは費用のかかる手順になる可能性があります。さらに、インコネルなどの高密度材料を使用して熱交換器を製造する場合、コンポーネントの完全性をチェックするために表面に数センチメートル浸透することさえ不可能です。