3D打印并流換熱器用于電動汽車的微型渦輪引擎

在英國TCT雜志25卷第二期雜志的封面上是一個如同越南下龍灣的礁石柱從水面升起一般的金屬增材成型作品,。大寫的“金屬增材并非孤島”的字樣可以說是雷尼紹對于完整產(chǎn)業(yè)鏈的真實(shí)獨(dú)白。打印的部件指是由HiETA Technologies與Delta Motorsport合作設(shè)計(jì)和制造,、用于微型燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)的并流換熱器,，被視為Innovate UK 選擇性激光制造輪機(jī)（SLaMMIT）項(xiàng)目的一部分，是一個成功運(yùn)用增材制造（AM）典型案例,。

圖片：微型渦輪增程器項(xiàng)目,，微型渦輪軸増程發(fā)動機(jī)（MiTRE）（左），和長方形熱交換器SLAMMiT同流換熱器橫截面（右）,，來源：TCT

熱交換器的系統(tǒng)化解決方案

HiETA Technologies成立于2011年,，致力于在兩個主要領(lǐng)域?qū)嵤┰霾闹圃旒夹g(shù)：熱管理和輕量化。HiETA借助一系列雷尼紹設(shè)備來實(shí)現(xiàn)此目標(biāo),，并在AM250之外新加入了RenAM 500M的設(shè)備,。雷尼紹與HiETA之間的合作關(guān)系遠(yuǎn)非普通甲方乙方的關(guān)系；雷尼紹曾協(xié)助HiETA開發(fā)其產(chǎn)品流程和數(shù)據(jù)流,，去年通過增加至24.9％的股權(quán)投資將對HiETA來深化其合作關(guān)系,。

按照慣例，HiETA正在改進(jìn)的熱交換產(chǎn)品是由很薄的材料焊接制成的。復(fù)雜的設(shè)計(jì)使生產(chǎn)既麻煩又耗時(shí),，而冗余的焊料則增加了部件的整體重量,。又復(fù)雜,、又重,、又費(fèi)時(shí)費(fèi)力？聽起來是增材制造大顯身手的機(jī)會,。以前,，很少有人研究增材在此類熱交換器中制造金屬薄膜的測試。第一項(xiàng)測試是能夠制造僅150微米的不泄露的薄膜并采集數(shù)據(jù),。

雷尼紹和HiETA各自采用了不同的參數(shù)設(shè)置來生產(chǎn)樣品,，在各自的總部將樣品熱處理和定型，并確定在特定參數(shù)設(shè)定下的表征情況,。這些結(jié)果使得公司能夠在薄壁構(gòu)建的問題上確定最佳參數(shù),，并使HiETA能夠開發(fā)出流程手冊，其中包含熱交換器的金屬3D打印中的傳熱參數(shù),。

HiETA的專業(yè)知識對汽車應(yīng)用極具吸引力,，尤其是需要利用熱交換和輕量化來擴(kuò)展電池使用的電動汽車。

Delta Motorsport成立于2005年,，總部設(shè)在錫爾弗斯通,，以高度自動化的工程解決方案，生產(chǎn)電動汽車而聞名于世,，而當(dāng)要改進(jìn)他們的產(chǎn)品時(shí)他們也找到了HiETA,。對于另一個Innovate UK項(xiàng)目，Delta和HiETA制造了一款長方形并流換熱器,，作為微型渦輪引擎（MiTRE）的一部分,，這個引擎由英國工業(yè)大臣Nick Hurd于2016年在Millbrook的Cenex低碳車輛事件中揭幕。

圖片：Delta Motorsport電動汽車,，來源：TCT

Delta Motorsport的高級工程經(jīng)理Scott Herring說道：“AM使我們能夠?qū)⒋罅考夹g(shù)集成起來,。長方形的并流換熱器開發(fā)出來到現(xiàn)在已經(jīng)有四年，這個產(chǎn)品的開發(fā)是解決電動汽車設(shè)計(jì)難問題的基石,；使電動汽車能轉(zhuǎn)載更小更智能的電池包,，我們正在設(shè)計(jì)一款載有小電池組的電動汽車，雖然在行駛里程上尚有局限,，但已經(jīng)能載你完成1-2次短途旅程”

了解增材制造換熱器的可行性后,，Hieta和Delta Motorsport便引進(jìn)了雷尼紹技術(shù)，該換熱器的前蓋板,，使用增材制造看上去使組件設(shè)計(jì)變得更加復(fù)雜,。環(huán)形的設(shè)計(jì)構(gòu)造使得換熱器能包裹在其他部件上并配置歧管，以創(chuàng)建更加緊湊的總成系統(tǒng)。

制造時(shí)間從17天縮短至80個小時(shí),，詳盡的測試表明了該組件能夠滿足降溫和散熱的要求,，與常規(guī)生產(chǎn)的部件相比，其重量與所占空間均降低30%左右,�,？傊�成為封面故事��(shí)至名歸。

汽車熱交換器通過增材制造的方式來提升性能的市場機(jī)會是巨大的,。研究與市場報(bào)告顯示汽車熱交換器是個全球市場價(jià)值超過120億美金的市場,，而且年復(fù)合增長率（CAGR）在6％左右，到2020年將達(dá)到180億美元,。

熱交換器的技術(shù)發(fā)展在過去20年里幾乎可以說是停滯狀態(tài),，由于傳統(tǒng)的、減材制造方法對加工帶來很多限制,。隨著粉末床選擇性金屬熔化技術(shù)的發(fā)展,，我們知道金屬增材制造在隨形冷卻模具領(lǐng)域的應(yīng)用是十分具有潛力的，與隨形冷卻模具的道理類似,，通過增材制造的方式生產(chǎn)的熱交換器不但減少了重量,，同時(shí)提高了熱交換接觸效率，提升了熱交換器的整體性能,。

圖片：裝配HiETA的MiTRE的 Delta Motorsport汽車發(fā)動機(jī),，來源：TCT

由于幾何形狀的高度自由度，增材制造技術(shù)帶來更高的表面積密度效率,，良好的熱交換和流體通路可以實(shí)現(xiàn)泵氣損失和熱交換之間的一個很好的妥協(xié),。

在熱交換器領(lǐng)域，除了案例的HiETA,還有另外一家公司Conflux,，專門致力于新一代熱交換器的開發(fā)工作,。”Doing more with less”,Conflux認(rèn)為通過增材制造的方式制造的熱交換器直接帶來了許多好處,，包括更高的熱交換效率,，更有效的減少重量，減少液滴的壓力泄露風(fēng)險(xiǎn),，以及更高的系統(tǒng)效率,。

南極熊相信3D打印在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用將超越原型，增材制造不僅僅適合汽車領(lǐng)域的原型和設(shè)計(jì)認(rèn)證,，其潛力的制約性在于我們自身思路的限制,，而不是增材制造技術(shù)本身

來源：3D科學(xué)谷
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