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Anwendungen im Rampenlicht: 3D Druck für Wärmeaustauscher

[Bildnachweis: Conflux Technology]
 

Das Spektrum industrieller Anwendungen für den 3D-Druck steigt rasant an.

Trotz dieses Wachstums bestehen jedoch weiterhin viele Lücken im Verständnis der wahren Fähigkeiten des 3D-Drucks. Dies wird durch AMFGs jüngsten Bericht über den Stand der 3D-Druckindustrie 2019 gestützt, in dem festgestellt wurde, dass das mangelnde Wissen über den 3D-Druck nach wie vor eine der größten Herausforderungen für 3D-Druckdienstleister darstellt.
 
Um das Verständnis zu erweitern, wie der 3D-Druck heute in industriellen Anwendungen eingesetzt wird, führen wir wöchentlich unsere wöchentliche Serie „Anwendungen in Rampenlicht“ ein. In dieser Serie werden wir uns mit der Verwendung des 3D-Drucks für eine bestimmte Anwendung befassen und die wichtigsten Vorteile und Beispiele erläutern.
 
Diese Woche eröffnen wir unsere Serie mit dem 3D-Druck für Wärmeaustauscher. Diese Technologie bietet eine Reihe von Vorteilen für Hersteller, die das Design von Wärmeaustauschern optimieren möchten. Wir sprechen dabei über das geringere Gewicht, die kleinere Größe und die überlegene Leistung.
 
Bevor wir jedoch die Vorteile genauer untersuchen, wollen wir uns zunächst ansehen, was ein Wärmeaustauscher ist und warum diese Anwendung besonders für den 3D-Druck geeignet ist.
 

Was ist ein Wärmeaustauscher?

Ein Beispiel für einen Wärmeaustauscher ist der Kühler eines Automobils
Ein Beispiel für einen Wärmeaustauscher ist der Kühler eines Automobils

 
Ein Wärmeaustauscher dient zur Temperaturregelung und ist eine wichtiges Teil in industriellen Geräten. Wärmeaustauscher ermöglichen die Übertragung von Wärme von einer Flüssigkeit auf eine andere Flüssigkeit mit dem Hauptzweck, Elemente aufzuheizen oder abzukühlen.
 
In der Industrie wird deren Kühlfunktion häufig eingesetzt, um eine Überhitzung der Geräte zu vermeiden.
 
Wärmeaustauscher haben ein sehr breites Anwendungsspektrum. Motoren von Autos, Schiffen und Flugzeugen verwenden Wärmetauscher, um effizienter zu arbeiten. Komponenten in Klimaanlagen und Kühlsysteme wie Kühlschränke erfordern ebenfalls Wärmeaustauscher.
 
Aufgrund der Vielseitigkeit der Anwendungen können die Konstruktionen von Wärmeaustauschern sehr unterschiedlich sein. Die Mehrzahl der konventionell hergestellten Wärmeaustauscher ist entweder als Spule oder als Platte hergestellt.
 
In ihrer einfachsten Form verwenden Spiralwärmeaustauscher ein oder mehrere Spiralrohre, die zwei Flüssigkeiten trennen: eines, das innerhalb des Rohrs fließt, und eines, das außerhalb des Rohres fließt.
 
Plattenwärmeaustauscher verwenden dünne Metallplatten, um die beiden Flüssigkeiten zu trennen. Die Flüssigkeiten fließen im Allgemeinen in entgegengesetzte Richtungen, um die Wärmeübertragung zu verbessern.
 

Warum ist der 3D-Druck für Wärmeaustauscher geeignet?

Ein in 3D gedruckter Wärmetauscher aus Metall [Bildnachweis: Stratasys]
Ein in 3D gedruckter Wärmetauscher aus Metall [Bildnachweis: Stratasys]

 
Die Herstellung von Wärmeaustauschern mit herkömmlichen Techniken ist häufig komplex und zeitaufwendig, da mehrere Schritte wie Formen und Schweißen erforderlich sind.
 
Darüber hinaus besteht eine zunehmende Nachfrage nach kompakteren und effizienteren Wärmeaustauschern, um die ständig wachsenden Leistungsanforderungen zu verbessern. Und doch erweisen sich die Fähigkeiten der gegenwärtigen Herstellungstechniken oftmals als ineffizient, um diese Nachfrage zu befriedigen. Infolgedessen müssen Hersteller häufig Kompromisse zwischen der Designkomplexität, den Kosten und der Vorlaufzeit eingehen.
 
Um diese Einschränkungen zu überwinden und neue Wärmeaustauscher Konstruktionen zu ermöglichen, beginnen Unternehmen, die Möglichkeiten des 3D-Drucks zu untersuchen.
 

Wie können Wärmeaustauscher vom 3D-Druck profitieren?

 

Leistungssteigerung durch komplexere Geometrien

Der 3D-Druck ist für seine Fähigkeit bekannt, komplexe Formen zum Leben zu erwecken. Bei der Konstruktion von Wärmeaustauschern können mit diesem Vorteil Wände mit einer Dünne von 200 Mikrometern und kleine, komplizierte Strömungskanäle innerhalb des Bauteils erzeugt werden.
 
Dies bedeutet, dass Ingenieure einen Wärmeaustauscher mit größerer Wärmeübertragungsfläche im Inneren konstruieren können. Je größer die Oberfläche, desto mehr Wärme kann abgeführt werden, was die Leistung eines Wärmetauschers erhöht.
 

Reduzierungen in Gewicht und Größe

Die meisten heutigen Wärmeaustauscher sind entweder geradlinig, rechteckig oder rohrförmig ausgeführt. Aufgrund ihrer einzigartigen Form kann es schwierig sein, diese Wärmeaustauscher in ein Gerät einzubauen. Mit dem 3D-Druck hingegen können Ingenieure das Gerät leichter und kleiner gestalten, die Leistung jedoch beibehalten oder sogar verbessern.
 
Neue Formen und interne Merkmale, durch 3D-Druck ermöglicht, erleichtern die Miniaturisierung von Wärmeaustauschern. Infolgedessen haben 3D-gedruckte Wärmeaustauscher eine viel kompaktere Form, die den engen Platzanforderungen gerecht wird.
 

Vereinfachte Produktion

Traditionell umfasst die Herstellung von Wärmetauschern mehrere Schritte, einschließlich Formen, Löten und Schweißen. Diese Schritte sind jedoch kostspielig und zeitaufwendig.
 
Bei der direkten Herstellung eines Wärmeaustauschers mitels 3D-Drucks können alle diese Vorgänge entfallen, wodurch der Produktionsprozess rationalisiert wird.
 

Bessere Qualität

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

Beispiele von 3D gedruckten Wärmeaustauschern

Die Luft- und Raumfahrtindustrie, der Motorsport und die Energiewirtschaft sind derzeit führend bei der Entwicklung von 3D-gedruckten Wärmeaustauschern.
 

Conflux Core: ein neuer Maßstab für Wärmetauscher

Der Conflux Core-Wärmeaustauscher verfügt über eine komplexe innere Form, die zur Verbesserung der thermischen Leistung beiträgt [Bildnachweis: Conflux Technology]
Der Conflux Core-Wärmeaustauscher verfügt über eine komplexe innere Form, die zur Verbesserung der thermischen Leistung beiträgt [Bildnachweis: Conflux Technology]

 
Conflux Technology ist ein australisches Unternehmen, das sich auf den 3D-Metalldruck von thermischen und flüssigen Bauteilen spezialisiert hat. Solche Komponenten werden in Branchen wie Automobil, Motorsport und Luft- und Raumfahrt eingesetzt.
 
Durch die Nutzung des 3D-Drucks hat Conflux ein einzigartiges Wärmeaustauscher Design namens Conflux Core entwickelt und patentiert.
 
Die Verwendung von 3D-Druck ermöglichte die Erstellung hochkomplexer Geometrien innerhalb der Conflux Core-Komponente, wodurch deren Oberfläche vergrößert wurde. Dadurch konnte die thermische Wärmeabgabe verdreifacht werden. Das neue Design, verglichen mit einem Formel1 Maßstab ist 22% leichter und 55 mm kürzer.
 
Darüber hinaus ermöglichte der 3D-Druck einen extrem schnellen Entwicklungsprozess, der nur sechs Monate dauerte.
 
Dank der Gestaltungsflexibilität des 3D-Drucks konnte das Conflux-Team in einem einzigen Teil schließlich auch Unterkomponenten zusammenfassen. Neben einer vereinfachten Konstruktion benötigt ein konsolidiertes Teil auch weniger Material für die Produktion, wodurch möglicherweise die Materialkosten gesenkt werden. Für Hersteller, die den Conflux Core verwenden, könnte die Teilekonsolidierung zu einer Verkürzung der Montagezeit und einer Verringerung der Fehlerstellen bei Verbindungen und Nähten führen.
 

GEs lungeninspirierter Wärmeaustauscher

Ein bio-inspirierter Wärmeaustauscher für Stromerzeugungsanwendungen [Bildnachweis: GE]
Ein bio-inspirierter Wärmeaustauscher für Stromerzeugungsanwendungen [Bildnachweis: GE]

 
GE Research entwickelt einen Wärmeaustauscher mit höherer Betriebstemperatur und erhöhtem thermischen Wirkungsgrad für Stromerzeugungsanlagen. Um dies zu erreichen, entwickelte das Team ein überraschenderweise innovatives Design, das von der menschlichen Lunge inspiriert war.
 
Der GE-Wärmeaustauscher verfügt über ein Dreifachnetz von Kanälen, die heiße Luft aus einer Gasturbine entnehmen. Dieses Netzwerk ist mit einem anderen Netzwerk von Kanälen verflochten, die mit kälterer Arbeitsflüssigkeit gefüllt sind und in die entgegengesetzte Richtung verlaufen. Die heiße Luft und die kühle Flüssigkeit vermischen sich nicht miteinander, aber ihre Nähe ermöglicht einen effizienten Wärmeaustausch.
 
Mit diesem neuen Wärmeaustauscher könnten Kraftwerke Temperaturen von 871°C (1.650 F) bewältigen. Das sind mehr als 232ᵒ Grad (450 F) höher als bei aktuellen Wärmeaustauschern.
 
Das Team stellte fest, dass die einzige Technologie, mit der ein solches Design hergestellt werden kann, der 3D-Druck ist.
 
Der 3D-gedruckte Wärmeaustauscher wird aus einer einzigartigen, hochtemperaturfähigen, rissbeständigen Nickelsuperlegierung hergestellt, die von GE Research speziell für diese Technologie entwickelt wurde.
 
Die Kombination aus der Gestaltungsfreiheit des 3D-Drucks und der Festigkeit einer Superlegierung soll eine stufenweise Änderung der Wärmeaustauscher Leistung ermöglichen.
 

Fortschrittlicher Technologie für erweiterte Anforderungen einsetzen

Wärmeaustauscher sind für den 3D Druck bestens geeignet. Die Technologie des 3D Drucks bietet erhebliche Designflexibilität und ermöglicht kompaktere Formen und höhere Leistungen.
 
Dank seiner einzigartigen Fähigkeiten könnte der 3D Druck zu einer Schlüsseltechnologie für die Herstellung von Wärmeaustauschern werden. Mit einer solch flexiblen Technologie an Bord können Wärmeaustauscher Produzenten neue Größen- und Leistungsanforderungen direkt erfüllen.
 
In unserem nächsten Artikel beschäftigen wir uns mit dem 3D-Druck von Kugellagern. Bleiben Sie dran!