金属 3D プリント熱交換器ソリューション

HiETA は、積層造形によるさまざまな熱管理アプリケーション向けの複雑で軽量な構造の製造用金属部品の開発を目的として 2011 年に設立されました。製造される部品には、マイクロガスタービン用の熱交換器、ターボ機械、燃焼部品のほか、燃料電池用の相変化熱交換器や統合廃熱回収システム用の部品、内燃機関からの効率的な熱除去用の部品などがあります。

HiETA は、3D プリント積層造形技術による熱交換器の製造に関する特許をいくつか登録しています。能力は、顧客要件の理解から始まり、初期設計から数値流体力学 (CFD)、有限要素解析 (FEA)、3D 印刷、テスト、検証に至るまでのエンジニアリング開発サービスを提供する、積層造形製品開発プロセス全体をカバーします。

従来、熱交換製品は薄いシート状の材料を溶接して作られることが多いです。設計が複雑なため、生産は困難で時間がかかり、溶接プロセスに使用される材料によって部品の全体的な重量が増加しました。 HiETA 以前は、熱交換器の製造に積層造形法を利用する研究を行っている専門機関はほとんどありませんでした。したがって、最初の課題は、3D プリントプロセスによって十分に薄い壁を製造でき、剛性に関する品質要件を満たすことができることを確認し、次に、典型的な熱交換器の複雑さを備えた完全な部品を製造する方法を検討することでした。

この目的のために、HiETA は、最大 150 ミクロンの厚さのインコネル材料による漏れのない薄肉構造の開発を含む専用のパラメータパッケージを開発しました。製品は、レニショーのスタッフォードシャー工場と、ブリストルおよびバースサイエンスパーク近くの HiETA の施設で AM250 を使用して製造されています。

その後、エンジニアは得られたサンプルを熱処理し、HiETA が部品の特性を評価しました。 3D Science Valley によれば、テスト結果はエンジニアが最適な処理パラメータを確認するのに役立つだけでなく、粉末床レーザー溶融技術を使用して熱交換器を製造する方法、熱伝達要件などの処理パラメータを満たす方法、漏れのない一体壁の設計と製造を実現する方法などの詳細を含む設計ガイドを HiETA が開発するのにも役立ちます。

サンプルテストが完了した後の次の段階は、実際のニーズに合わせて実行される完全なフルスケールユニットの設計と製造に進むことです。英国を拠点とする車両インテグレーターのデルタ・モータースポーツが両プロジェクトに関与した。 1つ目は、電気自動車の増設装置として使われる直方体型の熱交換器（熱交換器）です。 2 つ目は、コンポーネントのデザインをより複雑にすることです。形状は従来の長方形とはまったく異なり、より複雑な円弧デザインになっています。

より複雑な形状により、製品のパフォーマンスとサイクル効率が向上し、コストが削減されます。設計者は、マニホールドを統合した環状の熱交換器を作成し、システム全体をよりコンパクトにしました。より大きなサンプルを処理できるように Renishaw 装置をさらに最適化するために、HiETA は熱交換器コアから余分な粉末材料を除去する抽出プロセスも開発しました。 HiETA と Renishaw のパートナーシップの最初の成果は、積層造形装置を使用して薄壁構造を正常に製造するために必要な基本データを確立し、Renishaw 装置を使用して製造された熱交換器の性能を予測するために必要なパラメータを取得することです。

熱伝達と流体の流れのデータは、HiETA が使用する CFD および有限要素解析プログラムに組み込まれています。これらの手順を使用すると、新しいコンポーネント設計の予想されるパフォーマンスを最初に評価し、提案が顧客の要件を満たす可能性があるかどうかを確認できます。

同時に、レニショーは熱交換器製造のニーズを満たすためにソフトウェアを改良しました。これは、完全な熱交換器モデルを薄い層にカットし、3D 印刷装置で読み取り、レーザースキャンパスを計画するときに、このプロセスで大量のデータが生成されるためです。レニショーの改良されたソフトウェアは、この大量のデータを効率的に処理できます。

このプロセスは絶え間ない改良を重ね、成功した部品は、レニショーの AM250 システムで初めて 3D プリントされてから 17 日かけて構築されました。ハードウェアとソフトウェアの改善とプロセスパラメータの最適化により、ビルド時間は 80 時間に短縮されました。その後、一連の複雑なテストにより、アセンブリが流体圧力と熱伝達の要件を満たすことが実証されました。

HiETA によれば、3D プリントにより、HiETA が製造する部品は、市場で同等の効率方法で製造される製品よりも通常 40% 軽量です。これは、3D プリント技術により、設計者が単一のコンポーネントで多くの新しい高性能表面を設計できるようになり、これらの統合されたオールインワン設計を従来の処理方法で製造するのは非常に困難であるためです。

Renishaw AM250 の成功を受けて、HiETA はより強力な RenAM 500M システムに投資し、よりコスト効率の高い商用コンポーネントの生産を可能にしました。現在、HiETA は実際の商用アプリケーション向けのエンジン用部品や、非常に厳しい要件を持つその他の顧客向けの部品を製造しています。

出典: 3D Science Valley 詳しい情報:
米国の大学が3Dプリントした熱交換器を開発、効率化に1300万ドルの資金提供を受ける

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