【事例】レニショー金属3Dプリンターを使用した熱交換器の開発

2011 年に設立された HiETA は、内燃機関部品、タービン、再生装置、燃料電池熱交換器などの熱管理用の軽量で複雑な構造物を製造するため、さまざまな金属 3D プリント方法を開発してきました。現在、同社は英国を拠点とするレニショー社のレーザー粉末床金属 3D プリンターの助けを借りて、熱交換器を試作段階から量産段階に移行させている。

「当社のほぼすべてのプロジェクトで、重量の軽減と熱管理の問題への対処に取り組んでいます。レニショーと協力することで、現在市販されているどの製品よりも 40% 軽量で小型のコンポーネントを製造できるようになりました」と、HiETA の主任プロジェクトエンジニアである Stephen Mellor 氏は語ります。「これが可能なのは、レニショーの 3D プリンターを使用することで、多数の斬新で高性能な表面を 1 つのコンポーネントに統合できるからです。これは従来の方法では不可能です。」

熱交換器は通常、薄いシート状の材料を溶接して作られています。しかし、この材料を使用すると熱交換器が重くなります。同時に、設計が複雑なため、熱交換器の製造は難しいだけでなく、時間がかかります。しかし、これらの問題は 3D プリント技術を使用することで簡単に解決できます。現在、この分野では多くの研究が行われています。 HiETA は、この技術によって必要な薄壁を製造し、完全なコンポーネントを形成できるかどうかを確認したいと考えていました。さらに、レニショーは、このプロジェクトで得た経験と知識を活用して、「サンプルとプロトタイプの製造プロセスを少量生産に移行」したいと考えています。

両社は、レニショーの AM250 3D プリンターを使用して協力し、データを作成し、パラメータ設定を開発して、漏れのないインコネルからわずか 150 ミクロンの厚さの薄壁を製造することに成功しました。その後、ストーンにあるレニショーの工場とブリストルおよびバースサイエンスパークにある HiETA 本社で同じセットアップを使用してサンプルが製造され (その後、熱処理と特性評価が行われました)。最終的に、彼らはこれらのプロトタイプを使用して、「妥当な時間」で製造できる本格的な熱交換器を開発しました。

英国を拠点とするデルタ・モータースポーツ社と共同で、両社は2つの別々の建築プロジェクトに携わっています。1つ目は、電気自動車の航続距離延長装置として使用できる立方体熱交換器（再生器）です。2つ目は、従来の立方体熱交換器よりも設計を複雑にし、サイクル効率と製品性能を向上させながらコストを削減することを目的としたトロイダル再生器です。内部マニホールドのおかげで、環状熱交換器はよりコンパクトになり、他のコンポーネントの周囲に巻き付けることができます。

最初の成功した 3D プリント部品は 17 日間で製造されました。 HiETA と Renishaw は、プロセスパラメータを最適化するとともにソフトウェアとハードウェアを改善することで、サイクル時間を 80 時間短縮しました。最終的に、テストによれば、部品の重量と体積は 30% 削減され、熱伝達と圧力降下の要件を満たしました。

HiETA は、より大きなサンプルを処理できるように Renishaw の装置を最適化するだけでなく、これらのプロジェクトを利用して、熱交換器コアから余分な粉末材料を抽出する新しいプロセスを作成しました。また、プロジェクトの流体の流れと熱伝達のデータを独自の数値流体力学 (CFD) および有限要素解析 (FEA) プログラムに組み込み、新しいコンポーネント設計の潜在的なパフォーマンスを評価しました。

さらに読む：「米国の大学が 3D プリントした熱交換器を開発：効率が向上、1,300 万ドルの資金を獲得」

3DPRINTからコンパイル

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