Trong những năm gần đây, công nghệ in 3D, còn được gọi là sản xuất bồi đắp, đã cách mạng hóa lĩnh vực kỹ thuật tiên tiến. Công nghệ này cho phép tạo ra các hình dạng phức tạp mà trước đây không thể sản xuất được bằng các phương pháp truyền thống. Một ví dụ điển hình về sự đổi mới này là việc tái thiết kế một bộ trao đổi nhiệt dùng để làm mát dầu hộp số trong máy bay trực thăng. Bộ phận in 3D này, được phát triển bởi Advanced Engineering Solutions, sử dụng cấu trúc gyroid để tăng cường hiệu quả làm mát đáng kể. Kết quả là một thiết bị trao đổi nhiệt cung cấp hiệu suất làm mát gấp bốn lần so với phiên bản trước đó, trong khi kích thước chỉ bằng một nửa.
Bộ Trao Đổi Nhiệt Là Gì?
Bộ trao đổi nhiệt là thiết bị được thiết kế để truyền nhiệt giữa hai hoặc nhiều lưu chất mà không làm chúng trộn lẫn với nhau. Nó đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng, từ quy trình công nghiệp đến thiết bị gia dụng và hệ thống ô tô.
Các bộ trao đổi nhiệt truyền thống thường sử dụng thiết kế vỏ và ống, trong đó các ống mang một lưu chất được bao bọc bên trong vỏ chứa lưu chất khác. Quá trình truyền nhiệt xảy ra khi các lưu chất chảy qua nhau, được ngăn cách bởi thành ống. Thiết kế này, mặc dù hiệu quả, có những hạn chế về hiệu suất và kích thước
Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm, sử dụng một loạt các tấm xếp chồng lên nhau thay vì ống. Các tấm trao đổi nhiệt của bộ trao đổi nhiệt dạng tấm thường được đóng kín với nhau bằng phương pháp hàn hoặc sử dụng gioăng cao su tùy thuộc vào ứng dụng và lưu chất được sử dụng. Lượng nhiệt có thể được tiêu tán bởi bộ trao đổi nhiệt dạng tấm có thể được cải thiện bằng cách tăng số lượng tấm trong ngăn xếp hoặc chiều dài và chiều rộng của các tấm
(Nguồn Alfa Laval)
Ngoài ra, còn có bộ trao đổi nhiệt làm mát bằng không khí thường được sử dụng trong các phương tiện di chuyển, nơi không có nguồn cung cấp chất làm mát dạng lỏng, chúng sử dụng không khí được dẫn qua lõi cánh tản nhiệt bằng quạt dẫn động bằng điện, thủy lực hoặc cơ học
DÀNH CHO BẠN: CHẾ TẠO BỘ TRAO ĐỔI NHIỆT HIỆU QUẢ CAO VỚI SẢN XUẤT BỒI ĐẮP
Sự Đổi Mới: Bộ Trao Đổi Nhiệt In 3D
Sự đổi mới trong dự án này nằm ở việc ứng dụng công nghệ in 3D để tái thiết kế bộ trao đổi nhiệt. Các thiết kế truyền thống, như cấu trúc vỏ và ống, bị giới hạn bởi các hạn chế sản xuất. Tuy nhiên, in 3D cho phép tạo ra các hình dạng nội bộ rất phức tạp, nâng cao hiệu suất thông qua tương tác bề mặt được cải thiện với lưu chất của bộ trao đổi nhiệt. Bộ trao đổi nhiệt mới dành cho máy làm mát dầu hộp số máy bay trực thăng là một ví dụ điển hình. Nó thay thế các ống truyền thống bằng các cấu trúc gyroid phức tạp, dẫn đến thiết kế nhỏ gọn và hiệu quả hơn.
Nghiên cứu trường hợp: Bộ làm mát dầu hộp số Máy bay trực thăng
Bối cảnh về ứng dụng Bộ trao đổi nhiệt cho Máy bay trực thăng
Tại cuộc thi The Cool Part Showcase, Advanced Engineering Solutions đã gây ấn tượng với bộ trao đổi nhiệt cho trực thăng xuất sắc, sản xuất bằng công nghệ in 3D. Sản phẩm sáng tạo này không chỉ ghi điểm bởi hiệu năng tản nhiệt vượt trội mà còn khẳng định sức mạnh của công nghệ in 3D trong việc kiến tạo những giải pháp đột phá cho ngành hàng không vũ trụ
Bộ trao đổi nhiệt được tái thiết kế nhằm thay thế một đơn vị truyền thống trong một máy bay trực thăng quân sự. Bộ trao đổi nhiệt hiện tại, đã được sử dụng hàng thập kỷ, sử dụng nhiên liệu của máy bay làm chất làm mát để làm mát dầu hộp số. Thiết kế in 3D mới mang lại những cải tiến đáng kể về hiệu suất và hiệu quả.
Thiết kế Truyền thống và In 3D
Bộ trao đổi nhiệt truyền thống sử dụng thiết kế vỏ và ống, trong đó các ống uốn cong chạy song song với nhau, và lưu chất làm mát chảy qua chúng. Ngược lại, phiên bản in 3D kết hợp các cấu trúc gyroid bên trong, cung cấp cơ chế truyền nhiệt hiệu quả hơn nhiều. Vật liệu được sử dụng cho bộ trao đổi nhiệt mới là hợp kim nhôm (AlSi10Mg), được chọn vì khả năng dẫn nhiệt tuyệt vời và trọng lượng nhẹ.
Đây là giải pháp thay thế được đề xuất cho bộ trao đổi nhiệt trên trực thăng quân sự đã được sử dụng trong nhiều thập kỷ. Bộ trao đổi nhiệt đặc biệt này làm mát dầu hộp số và nó sử dụng nhiên liệu của chính máy bay trực thăng làm chất làm mát
Bộ trao đổi nhiệt in 3D có trọng lượng và hiệu suất cải thiện đáng kể
Bề mặt bên ngoài bộ phận có những đường gân đan chéo như một loại cấu trúc hỗ trợ, cho phép độ dày của thành mỏng hơn. Khi có sự hỗ trợ này từ bên ngoài, chúng ta có thể tạo một bề mặt mỏng hơn mà vẫn giữ được sự chắc chắn. Và điều này một lần nữa cho phép tiết kiệm vật liệu và giảm trọng lượng.
Với thiết kế này, chúng không có trục yếu, nó không thể uốn cong. Vì vậy, chúng có khả năng nén rất mạnh, đạt hiệu suất gấp 10 lần so với hiệu suất cần thiết đối với áp suất. Thiết kế của bộ trao đổi nhiệt có thể tích bằng một nửa thể tích của bộ trao đổi nhiệt hiện có và hiệu quả làm mát cao gấp 4 lần.
Quy trình sản xuất
Bộ phận này được sản xuất bằng công nghệ in 3D bột kim loại, một kỹ thuật xây dựng các lớp từng lớp từ bột kim loại, được thực hiện bằng phản ứng tổng hợp bột (Laser Powder Bed Fusion). Vật liệu được sử dụng là hợp kim nhôm (AlSi10Mg). Công nghệ in 3D kim loại này cho phép tạo ra các cấu trúc bên trong phức tạp mà không cần các cấu trúc hỗ trợ thêm. Bộ phận in không cần xử lý hậu kỳ nhiều, chủ yếu là ren các lỗ và hoàn thiện bề mặt.
Mô phỏng và Thiết kế Kỹ thuật số
Tầm quan trọng của Mô phỏng trong quá trình Thiết kế
Mô phỏng đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển bộ trao đổi nhiệt in 3D. Các công cụ kỹ thuật số cho phép các kỹ sư mô hình hóa và tối ưu hóa thiết kế trước khi sản xuất thực tế, tiết kiệm thời gian và tài nguyên, dòng lưu chất và sự truyền nhiệt được mô phỏng để có được thiết kế phù hợp.
Tính toán mô phỏng thiết kế bộ trao đổi nhiệt cho trực thăng
Vì vậy, phần mềm mô phỏng là một phần quan trọng, không chỉ trong việc tìm ra thiết kế tối ưu, mà còn chứng minh rằng thiết kế sẽ hoạt động bình thường và được in chính xác trước khi tiến hành in
Các công cụ được sử dụng
PTC và Ansys: Các công cụ phần mềm này được sử dụng cho các mô phỏng động lực học lưu chất (CFD) để phân tích dòng chảy và truyền nhiệt trong bộ trao đổi nhiệt. Điều này giúp xác định và loại bỏ các vùng tái tuần hoàn, đảm bảo dòng chảy lưu chất hiệu quả.
Additive Works: Phần mềm này được sử dụng để mô phỏng quá trình in 3D bột kim loại, đảm bảo rằng bộ phận có thể được in thành công mà không gặp lỗi xây dựng
Mô phỏng bộ trao đổi nhiệt trước khi in giúp tối thiểu lỗi và tiết kiệm vật liệu
Lợi ích của tính toán mô phỏng
Tính toán mô phỏng mang lại nhiều lợi ích:
Tối ưu hóa thiết kế: Các kỹ sư có thể cải tiến thiết kế nhanh chóng và hiệu quả, thử nghiệm các cấu hình khác nhau để tìm giải pháp tối ưu.
Giảm thiểu lỗi: Mô phỏng quy trình sản xuất giúp xác định các vấn đề tiềm ẩn trước khi sản xuất, giảm rủi ro lỗi sản xuất.
Tiết kiệm chi phí và thời gian: Bằng cách tinh chỉnh thiết kế kỹ thuật số, các công ty có thể giảm số lượng nguyên mẫu vật lý cần thiết, tiết kiệm cả thời gian và tiền bạc.
Vai trò của Gyroid trong Thiết kế Bộ trao đổi nhiệt
Giải thích về Cấu trúc Gyroid
Gyroid là một loại bề mặt tối thiểu định kỳ ba chiều (TPMS) kết nối vô hạn và có độ cong phức tạp. Các cấu trúc này xuất hiện tự nhiên trong một số hệ thống sinh học và đã được nghiên cứu vì các thuộc tính độc đáo của chúng. Gyroid cung cấp một diện tích bề mặt lớn trong một thể tích nhất định, làm cho chúng trở nên lý tưởng cho các ứng dụng cần phân tán nhiệt hiệu quả.
Ưu điểm của Gyroid trong Bộ trao đổi nhiệt
Gyroid mang lại nhiều ưu điểm cho bộ trao đổi nhiệt:
Tăng diện tích bề mặt: Các bề mặt uốn lượn phức tạp của gyroid tối đa hóa diện tích tiếp xúc giữa vật liệu của bộ trao đổi nhiệt và các lưu chất, tạo điều kiện thuận lợi cho việc truyền nhiệt tốt hơn.
Cấu trúc tự hỗ trợ: Gyroid có khả năng tự cân bằng và không cần các cấu trúc hỗ trợ thêm trong quá trình in 3D, đơn giản hóa quy trình sản xuất.
Dòng chảy lưu chất tối ưu: Độ cong liên tục của gyroid giúp duy trì dòng chảy của lưu chất mượt mà, giảm thiểu nhiễu loạn và cải thiện hiệu suất.
Lợi ích của Sản xuất Bồi đắp trong sản xuất Bộ trao đổi nhiệt
Sản xuất bồi đắp, đặc biệt là in 3D, mang lại nhiều lợi ích cho sản xuất bộ trao đổi nhiệt:
Tạo hình học phức tạp: Không giống như các phương pháp sản xuất truyền thống, in 3D có thể tạo ra các thiết kế phức tạp với các cấu trúc lưới (lattice) bên trong để nâng cao hiệu suất.
Giảm trọng lượng: Khả năng thiết kế các cấu trúc tối ưu hóa dẫn đến việc giảm trọng lượng đáng kể, điều này rất quan trọng cho các ứng dụng hàng không.
Tiết kiệm vật liệu: Sản xuất bồi đắp chỉ sử dụng vật liệu cần thiết để xây dựng bộ phận, giảm thiểu lãng phí.
Nâng cao hiệu suất và hiệu quả: Kiểm soát chính xác các cấu trúc bên trong, cho phép cải thiện hiệu suất nhiệt và hiệu quả tổng thể.
Giảm kích thước: Thiết kế nhỏ gọn có thể đạt được thông qua in 3D giảm kích thước của bộ trao đổi nhiệt trong khi nâng cao khả năng làm mát.
Ứng dụng rộng hơn của Cấu trúc Gyroid in 3D
Các ứng dụng khác trong ngành Hàng không và Ô tô
Các cấu trúc gyroid không chỉ giới hạn ở các bộ trao đổi nhiệt. Các thuộc tính độc đáo của chúng làm cho chúng phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau trong ngành hàng không và ô tô, nơi việc giảm trọng lượng và quản lý nhiệt là rất quan trọng.
Ứng dụng trong tấm Chắn nhiệt gốm tái sử dụng cho tàu vũ trụ
Diện tích bề mặt cao và các thuộc tính nhiệt tuyệt vời của gyroid làm cho chúng trở nên lý tưởng cho các tấm chắn nhiệt gốm tái sử dụng trong tàu vũ trụ. Các cấu trúc này có thể phân tán nhiệt hiệu quả, bảo vệ tàu vũ trụ trong quá trình tái nhập vào bầu khí quyển của Trái Đất.
Giảm trọng lượng trong thiết bị Nghiên cứu Vật lý Lượng tử
Trong nghiên cứu vật lý lượng tử, việc duy trì thiết bị ở nhiệt độ cực thấp là rất quan trọng. Các cấu trúc gyroid giúp đạt được điều này bằng cách cung cấp khả năng quản lý nhiệt hiệu quả trong khi cũng giảm khối lượng của thiết bị, điều này rất quan trọng cho các thí nghiệm yêu cầu điều kiện chính xác.
Điều chỉnh hiệu suất thông qua sự kéo dài và biến dạng của Gyroid
Gyroid có thể được kéo dài và biến dạng để phù hợp với không gian thiết kế cụ thể hoặc điều chỉnh các đặc tính hiệu suất của chúng. Sự linh hoạt này làm cho chúng phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau, chẳng hạn như tấm làm mát cho xe đua điện (EV), nơi chúng có thể được tùy chỉnh để tối ưu hóa hiệu suất làm mát.
Thiết bị Năng lượng tần số Radio (RF)
Các mạng lưới gyroid có thể được sử dụng trong các thiết bị năng lượng tần số radio (RF) để điều chỉnh tiêu điểm và hướng của năng lượng. Bằng cách in các cấu trúc này theo các gradient, các kỹ sư có thể tinh chỉnh hiệu suất của các thiết bị, nâng cao hiệu quả và hiệu suất của chúng.
Kết Luận
Việc tái thiết kế bộ trao đổi nhiệt cho máy làm mát dầu hộp số máy bay trực thăng sử dụng các cấu trúc gyroid in 3D minh chứng cho tiềm năng cách mạng của sản xuất bồi đắp. Cách tiếp cận sáng tạo này không chỉ nâng cao hiệu suất làm mát mà còn giảm kích thước và trọng lượng của bộ trao đổi nhiệt. Việc áp dụng thành công các công cụ mô phỏng và sản xuất kỹ thuật số nhấn mạnh tầm quan trọng của các công nghệ này trong kỹ thuật hiện đại. Khi in 3D tiếp tục phát triển, các ứng dụng của nó chắc chắn sẽ mở rộng, thúc đẩy những tiến bộ hơn nữa trong nhiều ngành công nghiệp và mở đường cho các thành phần hiệu quả hơn, nhẹ hơn và có hiệu suất cao.
Vinnotek: Đối Tác Đáng Tin Cậy Cho Giải Pháp Thiết Kế Và Tính Toán Mô Phỏng In 3D
Để khai thác tối đa tiềm năng của in 3D, cần có dịch vụ thiết kế và tính toán mô phỏng chuyên nghiệp. Tại đây, Vinnotek tự hào là đối tác đáng tin cậy, cung cấp dịch vụ thiết kế và tính toán mô phỏng in 3D cho các bộ phận quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp.
Chúng tôi không chỉ đem lại lợi ích của công nghệ in 3D tiên tiến, mà còn là đại diện chính thức của Nikon SLM Solutions - một trong những hãng máy in 3D kim loại hàng đầu thế giới và Titomic - nhà tiên phong trong ứng dụng sản xuất bồi đắp quy mô lớn, như dụng cụ, phụ tùng và bộ phận máy móc, thay thế các hình thức sản xuất truyền thống.
Với sự kết hợp giữa tinh thần sáng tạo và chuyên nghiệp, chúng tôi cam kết đồng hành cùng doanh nghiệp của bạn để tối ưu hóa thiết kế, giảm chi phí sản xuất và nâng cao hiệu suất công việc.
Hãy liên hệ với Vinnotek ngay hôm nay để trải nghiệm sự đổi mới và tiên tiến trong ngành công nghiệp của bạn.
--------------------------
THÔNG TIN LIÊN HỆ:
☎Số điện thoại: (+84)905300382
📩Email: sales@vinnotek.com
💻Website: https://vinnotek.com/
⚡LinkedIn: https://tinyurl.com/VINNOTEKlinkedin
⚡Facebook: https://tinyurl.com/VINNOTEK
