TPMS胞元結(jié)構(gòu)助力增材制造高效換熱器
增材制造，又稱為3D打印，是一種以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過使用3D打印設(shè)備將材料進(jìn)行逐層添加從而制造出三維物體的新型制造技術(shù)。2012年開始在國內(nèi)興起，該技術(shù)最大的優(yōu)勢在于不需要模具即可實現(xiàn)各種形狀產(chǎn)品的制造。因此增材制造技術(shù)特別適合應(yīng)用于利用模具鑄造困難、形狀復(fù)雜、個性化強的產(chǎn)品。
增材制造技術(shù)應(yīng)用于換熱器和散熱器的制造，滿足了產(chǎn)品趨向緊湊型、高效性、模塊化、多材料的發(fā)展趨勢，特別是用于異形、結(jié)構(gòu)一體化、薄壁、薄型翅片、微通道、十分復(fù)雜的形狀、點陣結(jié)構(gòu)等加工，該技術(shù)具有傳統(tǒng)制造技術(shù)不具備的優(yōu)勢。
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TPMS胞元式換熱器
中的增材思維設(shè)計和制造
近年來，三周期極小曲面（Triply periodic minimal surface, TPMS）吸引了多孔結(jié)構(gòu)研究人員廣泛的關(guān)注。三周期極小曲面表面光滑且孔洞高度連通，整體結(jié)構(gòu)由隱式函數(shù)精確控制，是一種設(shè)計建模多孔結(jié)構(gòu)的優(yōu)異解決方案。結(jié)合增材制造獨特的制造技術(shù)，使得TPMS可實現(xiàn)設(shè)計、制造、應(yīng)用、優(yōu)化再設(shè)計的良性循環(huán)，尤其是應(yīng)用在高效換熱器行業(yè)。
圖2 TPMS胞元式換熱器
TPMS是一種平均曲率為零的周期性光滑隱式曲面，與其他類型的多孔結(jié)構(gòu)相比，TPMS多孔結(jié)構(gòu)具有兩大明顯優(yōu)勢：
1）整體TPMS多孔結(jié)構(gòu)可以利用數(shù)學(xué)表達(dá)式精確描述，孔隙率、比表面積等基本性能可以利用函數(shù)表達(dá)式參數(shù)直接控制；
2）TPMS表面非常光滑，沒有點陣多孔結(jié)構(gòu)的尖銳轉(zhuǎn)折或連接點，整體結(jié)構(gòu)互相貫通。這種優(yōu)勢應(yīng)用在換熱器的設(shè)計中，具有換熱高效性、產(chǎn)品緊湊、流阻小的特點，在航天航空、武器裝備、汽車制造、生物醫(yī)療等行業(yè)已進(jìn)行廣泛的推廣及應(yīng)用。
可選晶胞結(jié)構(gòu)類型
TPMS形式胞元通過中間曲面將流道一分為二，適用于兩種流體之間的換熱。
TPMS可通過正余弦函數(shù)來表示，如下表：
表 各類型TMPS數(shù)學(xué)公式
根據(jù)以上數(shù)學(xué)公式，通過隱式建模軟件進(jìn)行建模，如圖3所示。
圖3 各TPMS形式的隱式建模
當(dāng)下高精尖行業(yè)，高效換熱器設(shè)計需求越來越偏向于體積小、重量輕、壓力損失小、換熱性能強的趨勢，這對傳統(tǒng)減材式或等材式思維的制造要求極高，特別是超薄壁厚處理、異型結(jié)構(gòu)加工工藝、進(jìn)出口焊接工藝、裝配工藝等。而3D打印以增材式思維進(jìn)行制造，充分以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，在設(shè)計上的自由度、小批量生產(chǎn)的經(jīng)濟性、一體式打印有獨特的優(yōu)勢。
因此TPMS胞元換熱器通過增材制造，很容易實現(xiàn)整機打印出產(chǎn)品，因此在世界范圍內(nèi)，越來越多的換熱器工程師對胞元式換熱器的設(shè)計研發(fā)展現(xiàn)出極大的興趣。
來源：張振江? 3D打印科學(xué)谷
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