Anwendungs-Spotlight:3D-Druck für Wärmetauscher

[Bildnachweis:Conflux-Technologie]

Das industrielle Anwendungsspektrum des 3D-Drucks wächst sprunghaft.

Trotz dieses Wachstums bleiben jedoch viele Lücken im Verständnis der wahren Fähigkeiten des 3D-Drucks. Diese Tatsache wird durch den neuesten Bericht der AMFG zum Stand der 3D-Druckindustrieumfrage 2019 bestätigt, der feststellt, dass der Mangel an Wissen über den 3D-Druck heute noch eine der größten Herausforderungen für 3D-Druckdienstleister ist.

Um zu beleuchten, wie der 3D-Druck heute in industriellen Anwendungen eingesetzt wird, starten wir eine wöchentliche Application Spotlight-Serie. In der Serie befassen wir uns mit dem Einsatz des 3D-Drucks für eine bestimmte Anwendung und tauchen in die wichtigsten Vorteile und Beispiele ein.

Diese Woche eröffnen wir unsere Serie mit dem 3D-Druck für Wärmetauscher. Die Technologie bietet eine Reihe von Vorteilen für Hersteller, die das Design von Wärmetauschern optimieren möchten. Darunter sind ein geringeres Gewicht, eine kleinere Größe und eine überragende Leistung.

Aber bevor wir die Vorteile genauer untersuchen, schauen wir uns zunächst an, was ein Wärmetauscher ist und warum sich diese Anwendung hervorragend für den 3D-Druck eignet.

Sehen Sie sich die anderen in dieser Reihe behandelten Anwendungen an: 

3D-Druck für Lager   

3D-Druck für die Fahrradherstellung  

3D-Druck für die digitale Zahnheilkunde und die Herstellung von Clear Alignern

3D-Druck für medizinische Implantate

3D-gedruckte Raketen und die Zukunft der Herstellung von Raumfahrzeugen  

3D-Druck für die Schuhherstellung 

3D-Druck für elektronische Komponenten 

3D-Druck in der Bahnindustrie  

3D-gedruckte Brillen

3D-Druck für die Endfertigung

3D-Druck für Halterungen

3D-Druck für Turbinenteile

Wie 3D-Druck leistungsfähigere Hydraulikkomponenten ermöglicht

Wie 3D-Druck Innovationen in der Kernkraftindustrie unterstützt

Was ist ein Wärmetauscher?

Ein Wärmetauscher wird zur Temperaturregelung verwendet und ist eines der wichtigsten Geräte in der Industrie. Wärmetauscher ermöglichen den Wärmeübergang von einer Flüssigkeit auf eine andere Flüssigkeit mit dem Hauptzweck, Elemente aufzuheizen oder abzukühlen.

In der Industrie wird die Kühlfunktion häufiger verwendet, um eine Überhitzung von Geräten zu vermeiden .

Wärmetauscher haben ein sehr breites Anwendungsspektrum. Motoren in Autos, Schiffen und Flugzeugen verwenden alle Wärmetauscher, um effizienter zu arbeiten. Auch Komponenten in Klima- und Kühlsystemen wie Kühlschränke benötigen Wärmetauscher.

Aufgrund der Vielseitigkeit der Anwendung können die Ausführungen von Wärmetauschern stark variieren. Die meisten konventionell hergestellten Wärmetauscher haben entweder ein Rohrschlangen- oder Plattendesign.

In ihrer einfachsten Form verwenden Rohrschlangenwärmetauscher ein oder mehrere Rohrschlangen, die zwei Flüssigkeiten trennen:eine, die innerhalb des Rohrs fließt, und eine andere, die außen strömt.

Plattenwärmetauscher verwenden dünne Metallplatten, um die beiden Flüssigkeiten zu trennen. Die Flüssigkeiten fließen im Allgemeinen in entgegengesetzte Richtungen, um die Wärmeübertragung zu verbessern.

Warum eignet sich der 3D-Druck für Wärmetauscher?

Die Herstellung von Wärmetauschern mit herkömmlichen Techniken ist oft eine komplexe und zeitaufwändige Aufgabe, die mehrere Schritte wie Formen und Schweißen erfordert.

Darüber hinaus besteht ein zunehmender Bedarf, Wärmetauscher kompakter und effizienter zu gestalten, um die ständig wachsenden Leistungsanforderungen zu erfüllen. Und doch erweisen sich die Fähigkeiten aktueller Fertigungstechniken oft als ineffizient, um diesen Bedarf zu decken. Infolgedessen müssen Hersteller oft Kompromisse zwischen Designkomplexität, Kosten und Vorlaufzeit eingehen.

Um diese Einschränkungen zu überwinden und neue Wärmetauscherdesigns zu ermöglichen, beginnen Unternehmen, die Möglichkeiten des 3D-Drucks zu untersuchen.

Wie können Wärmetauscher vom 3D-Druck profitieren?

Erhöhte Leistung durch komplexere Geometrien

Der 3D-Druck ist dafür bekannt, komplexe Formen zum Leben zu erwecken. Bei der Konstruktion von Wärmetauschern kann dieser Vorteil genutzt werden, um Wände mit einer Dicke von bis zu 200 Mikrometern und kleine, komplizierte Strömungskanäle im Inneren des Bauteils zu schaffen.

Dies bedeutet, dass Ingenieure einen Wärmetauscher mit größerer Wärmeübertragungsfläche im Inneren konstruieren können. Je größer die Oberfläche, desto mehr Wärme kann abgeführt werden, was die Leistung eines Wärmetauschers erhöht.

Gewicht und Größe reduziert

Die meisten heutigen Wärmetauscher haben entweder geradlinige, rechteckige oder rohrförmige Bauformen. Aufgrund ihrer einzigartigen Form kann der Einbau dieser Wärmetauscher in ein Gerät eine Herausforderung darstellen. Der 3D-Druck hingegen ermöglicht es Ingenieuren, das Gerät leichter und kleiner zu machen, aber bei gleicher oder sogar besserer Leistung 

Neue Formen und interne Funktionen, die durch den 3D-Druck ermöglicht werden, erleichtern die Miniaturisierung von Wärmetauschern . Als Ergebnis haben 3D-gedruckte Wärmetauscher eine viel kompaktere Form, die engen Platzanforderungen gerecht wird.

Vereinfachte Produktion

Traditionell umfasst die Herstellung von Wärmetauschern mehrere Schritte, darunter Formen, Löten und Schweißen. Diese Schritte sind jedoch teuer und zeitaufwendig.

Bei der direkten Herstellung eines Wärmetauschers mit 3D-Druck können all diese Vorgänge entfallen, wodurch der Produktionsprozess rationalisiert wird.

Bessere Qualität

Darüber hinaus wird ein 3D-gedruckter Wärmetauscher in einem Arbeitsgang gebaut, sodass keine Nähte oder Fugen entstehen, die Undichtigkeiten entwickeln könnten. Aufgrund einer einfacheren Produktion ist die Prozessvariabilität geringer und die Gesamtqualität wird voraussichtlich viel höher sein.

Beispiele für 3D-gedruckte Wärmetauscher

Die Luft- und Raumfahrt-, Motorsport- und Energieindustrie sind derzeit führend bei der Entwicklung von 3D-gedruckten Wärmetauschern.

Conflux Core:ein neuer Maßstab für Wärmetauscher

Conflux Technology ist ein australisches Unternehmen, das sich auf den 3D-Metalldruck von Thermo- und Fluidkomponenten spezialisiert hat. Solche Komponenten werden in Branchen wie der Automobilindustrie, dem Motorsport und der Luft- und Raumfahrt eingesetzt.

Durch die Nutzung des 3D-Drucks hat Conflux ein einzigartiges Wärmetauscherdesign namens Conflux Core entwickelt und patentiert.

Der Einsatz von 3D-Druck ermöglichte die Erstellung hochkomplexer Geometrien im Inneren des Conflux Core-Bauteils, wodurch dessen Oberfläche vergrößert wurde. Dadurch konnte die thermische Wärmeabgabe verdreifacht werden. Das neue Design erwies sich im Vergleich zu einem Formel-1-Benchmark als 22 % leichter und 55 mm kürzer.

Darüber hinaus ermöglichte der 3D-Druck einen extrem schnellen Entwicklungsprozess, der nur sechs Monate dauerte.

Dank der Designflexibilität des 3D-Drucks konnte das Conflux-Team schließlich Teilkomponenten zu einem einzigen Teil konsolidieren. Neben einer vereinfachten Konstruktion erfordert ein konsolidiertes Teil auch weniger Material für die Herstellung, was möglicherweise den Materialaufwand senkt. Für Hersteller, die den Conflux Core verwenden, könnte die Teilekonsolidierung zu einer kürzeren Montagezeit und weniger Fehlerpunkten an Verbindungen und Nähten führen.

Der lungeninspirierte Wärmetauscher von GE

GE Research entwickelt einen Wärmetauscher mit erhöhter Betriebstemperatur und thermischer Effizienz für Stromerzeugungsanlagen. Um dies zu erreichen, entwickelte das Team überraschenderweise ein innovatives Design, das von der menschlichen Lunge inspiriert wurde.

Der GE-Wärmetauscher verfügt über ein sich verzweigendes Netzwerk von Kanälen, das heiße Luft aus einer Gasturbine ansaugt. Dieses Netzwerk ist mit einem anderen Netzwerk von Kanälen verflochten, die mit kälterem Arbeitsfluid gefüllt sind und in die entgegengesetzte Richtung verlaufen. Die heiße Luft und die kühle Flüssigkeit vermischen sich nicht miteinander, aber ihre unmittelbare Nähe ermöglicht einen effizienten Wärmeaustausch.

Diese neue Art von Wärmetauscher könnte Kraftwerken dabei helfen, Temperaturen von 1.650 Grad F (871 ° C) zu bewältigen C). Das ist mehr als 450 °F (232 °C) höher als bei aktuellen Wärmetauschern.

Das Team stellte fest, dass der 3D-Druck die einzige Technologie ist, die ein solches Design erzeugen kann.

Der 3D-gedruckte Wärmetauscher wird unter Verwendung einer einzigartigen, hochtemperaturbeständigen, rissbeständigen Nickel-Superlegierung hergestellt, die von GE Research speziell für diese Technologie entwickelt wurde.

Die Kombination der Designfreiheit des 3D-Drucks und der Festigkeit einer Superlegierung soll eine sprunghafte Veränderung der Wärmetauscherleistung ermöglichen.

Mit fortschrittlicher Technologie die erweiterten Anforderungen erfüllen 

Wärmetauscher sind eine großartige Anwendung für den 3D-Druck. Die Technologie bietet erhebliche Designflexibilität und ermöglicht kompaktere Formen und höhere Leistung.

Dank seiner einzigartigen Fähigkeiten könnte der 3D-Druck zu einer Schlüsseltechnologie für die Herstellung von Wärmetauschern werden. Mit einer solch flexiblen Technologie an Bord können Wärmetauscherhersteller neue Größen- und Leistungsanforderungen direkt erfüllen.

In unserem nächsten Artikel beschäftigen wir uns mit dem 3D-Druck für Lager . Bleiben Sie dran!