《重新构想热交换器》，实现无缝数字化增材制造之旅

| 3DScienceValley · 2023/12/14

如果曾经和狗玩过捡棍子游戏，可能会惊讶于人类的这位四只爪子的朋友拥有如此多的耐力和“能量”。更有趣的是，狗的爪子是唯一有汗孔的区域。这就像一个人在夏天穿着毛皮大衣跑马拉松！那么狗如何调节它的热管理呢？很显然，不能仅仅依赖于爪子中非常有限的表面积来散热。

诀窍就在这里：大多数过热是通过呼吸来调节的。狗是通过舌头充当热交换器的，狗的呼吸速度可以从每分钟 30 次呼吸增加到每分钟 300 次呼吸。同时，狗的唾液腺会产生更多的唾液，这些唾液会在舌头表面蒸发。在剧烈喘息期间，舌头迅速冷却下来。犬的舌头含有数量惊人的微小血管，将热量从身体输送到舌头，调节狗的热量管理。

利用大自然的”聪明设计“，犬类体重的一小部分-舌头可以做不可思议的事情，使其成为世界上最先进和最高效的“散热器”之一。将这一事实转化为人类的技术世界，工程师受到大自然的启发。直到今天，大多数限制都基于制造技术的限制，因为无法以理想的方式制造理想的热交换器。

valley 材料热交换器 © 白皮书

增材制造是制造新一代高效热交换器的新兴技术。实现高效和可持续发展的无缝数字化增材制造之旅，EOS发布了白皮书《重新构想热交换器》。本期，与谷友一起来领略该白皮书的部分精彩。

《重新构想热交换器》白皮书中对零件的技术适配和经济适配评估
© EOS

EOS的《重新构想热交换器》白皮书给出了以下问题的答案：

为什么增材制造能够实现更高效的应用生产？
释放增材制造全部潜力的步骤有哪些？
数字解决方案如何降低增材制造的生产成本？

无缝集成的设计与生产优化

通过遵循 AM-增材制造的开发周期特定阶段， EOS提供的数字工具的集成不仅增强了热交换器这样的复杂应用的制造可行性，而且还大大降低了单件成本，为批量生产奠定了可行的基础。

这其中，EOS《重新构想热交换器》白皮书中的热交换器设计和生产优化是在无缝数字工作流程中进行的，由 SIEMENS Digital Industries Software 解决方案提供支持。制造过程中的打印控制通过EOS 的Smart Fusion（闭环智能熔融）技术可以减少对支撑结构的需求，而 EOS Additive Minds 顾问则凭借丰富的经验帮助客户定制LPBF工艺参数以满足应用要求，避免工艺效率低下。本白皮书还强调了工艺参数的重要性，良好的工艺参数可减少设计变更，甚至完全无需设计变更，因此可以大幅度减少成本。

白皮书中的案例来自KSHP的热交换器，该热交换器适合EOS的增材制造设备，而且316L的材料特性满足所有机械、热和化学要求。然而，筛选过程中还发现了需要改进的空间，如除粉策略和支撑结构策略等。

不仅仅需要满足制造要求，从经济角度来看， EOS和KSHP还以单件成本、复杂性和附加价值为指标评估了增材制造带来的结果。复杂性既指制造复杂性，也指几何复杂性。KSHP 的热交换器案例具有明显的几何复杂性，拟定的设计并不适合常规制造。KSHP 的单件成本略超目标，因此需要进行重新设计和工艺优化。附加价值可以涉及多个方面，例如上市时间、数字库存、分布式制造、定制化或可持续性。考虑到KSHP所处的公司发展阶段和产品生命周期，其所需要的附加价值显而易见一加快研发周期。

在对第一个设计进行单件成本 (CPP) 分析时，开发团队发现了一个常见现象：资本支出相关成本（包括增材制造系统成本和外围设备成本）占单件成本的比例最大。这种情况主要是由于成型时间较长造成的，但这其实比较有利，因为这提供了优化机会。

增材制造系统成本与机器的使用效率密切相关。因此，越通过优化成型过程来提高利用率，零部件的成本就越低。优化是减少开支的关键。

影响CPP单件成本的第二大因素是材料成本。开发团队发现了材料消耗方面的改进潜力。应用的轻量化和支撑材料的减少可以减少 LPBF 增材制造工艺中使用的材料并减轻重量。这一情况反馈已提供给设计团队进行实施。

如上所述，单件成本还有改善的空间，因此开发团队采用了Siemens NX 的结构化流程，并考虑将Smart Fusion 用于打印流程。

通过分析热交换器的第一个原型，开发团队发现了三个关键问题：变形、表面质量和过热区域。该零部件是在外部 CAD 系统中设计的，然后导出为 STL 或类似的文件格式。由于大多数增材机器和软件都采用 STL 文件，因此选择了这种通用选项。

STL 文件的问题在于，由于导出的是三角面片网格而不是真正的CAD几何体，质量可能会受到影响。通常会在圆形表面、孔和其他弯曲几何形状上看到这些区域。由于大多数几何体都属于这几类，必须对文件进行必要的修复和修改，才能确保高质量的打印。此外，零部件上还应用了一些支撑几何体，其目的是确保零部件与成型基板粘附并为后加工过程提供支撑区域。

该零部件在打印可行性和 STL 导出方面颇具挑战性，因此需要进行几何体清理和修改。第一个问题是模型中存在退化面和折叠面。开发团队最初尝试使用 JT（文件格式）转换，但用于设计零部件的系统在导出时出错，导致结果更糟。

开发团队开始使用Siemens NX自动清理和修复几何体。然后在一些问题区域进行手动清理，以取得更灵活的结果并进一步提高零部件质量。完成一系列修改后，开发团队还将设计添加到NX Additive Manufacturing 验证工具中以验证孔隙检测、表面粗糙度、壁厚问题和打印时间等，从而进一步确保打印可行性。

EOS的Smart Fusion是一种先进的软件工具，可使用与EOSTATE ExposureOT 监控系统集成的反馈回路来调节零部件的能量输入。ExposureOT 可检测熔化过程中与过热相关的激光照射。通过将该信号与目标灰度值进行比较， Smart Fusion可与3D打印机的激光控制系统进行通信，以优化后续粉层的能量输入。这种能量输入的动态调整增强了热量分布，显著减少了所需的支撑结构，且不影响成型时间。与传统的支撑策略相比，材料消耗的减少甚至可以缩短成型时间，从而降低成本。

最初打印该零部件时的主要问题之一是过热，这会对成型能力以及内部流体通道的表面质量产生负面影响。影响二者的因素有很多，例如材料类型、工艺参数、悬垂位置和壁厚特性。通常，可以通过支撑结构或修改几何体来缓解这些因素的影响，以减少需要支撑的区域。

由于设计过程以CAD为核心，因此开发团队还可以使用自动设计的支撑来设计任何能够想象到的支撑结构。然后，开发团队将其运行到35度悬垂角，这是金属粉末床增材制造中所用的典型角度。与传统的35度设计类似，当采用档块支撑型策略时，可以通过算法来优化支撑向量的照射顺序，从而有效减少跳跃延迟。此外，缩短支撑成型时间的常见调整还包括实施跳层方法。支撑照射的铺粉厚度设置为打印零部件所用铺粉厚度的两倍。此外，如果在实现成型能力和强度要求的同时允许稍微不太稳定的打印过程，可以在一定程度上提高扫描速度。

在打印过程中利用 Smart Fusion ，可以打印明显更小的角度。考虑到圆形热交换器的几何形状，开发团队选择了仅覆盖10度以下悬垂结构的实体支撑策略。