透過 3D 列印、模擬、CT 檢查和測試最佳化熱交換器
概述
六家行業領導者（nTopology、Ansys、EOS、Stress Engineering Services、North Star Imaging 和 Synopsys）接受了一項挑戰，利用各家公司提供的每項先進技術，開發一套創新設計熱交換器的解決方案。
該計畫的目標是提高熱交換器的能源效率和系統性能，縮小體積並減少材料，新型高性能的熱交換器，結合設計、模擬、CT 檢查和測試來協助控制品質。最終模型的零件數量、壓降皆顯著減少、傳熱能力增強。
亮點
- 重新設計熱交換器，提高體積受限應用中的效能
- 首次嘗試即成功列印零件
- 運用掃描、檢查和模擬技術，比較設計和竣工性能
- 零破壞的完整 NDE 檢測
- 全面測試驗證了傳熱和強度分析
熱交換器的模擬設計流程
大多數新型熱交換器應用都受到空間限制，隨著熱需求的增加，需要更小、更有效率的設計。 然而，常見熱交換器設計的創新相對較少，通常使用低效的管和殼幾何形狀。 透過使用隱式幾何結構，熱交換器複雜表面設計可顯著提高效能。
本案例中 nTopology 和 Ansys 合作開發和模擬熱交換器的創新設計。 nTopology 使用隱式幾何技術創建三週期最小表面 (TPMS)，由於其平滑的拓撲結構符合流體力學，有利於熱交換器。 此外，TPMS 設計隔離了冷、熱兩個區域，並且具有高強度重量比，使其成為輕量化的理想選擇。
圖：採用 TPMS 幾何形狀的重新設計的熱交換器比傳統設計小得多，零件數量從 40 個減少到僅 1 個，總質量減少了 81%
在重新設計中，nTopology 定義了一種採用 TPMS 幾何結構的熱交換器，將零件從 40 個減少到僅 1 個，總重量減少 81%。 使用 Ansys 軟體建立並測試不同的設計，首先使用 Ansys Discovery Live 對不同設計迭代中的流體流動進行即時模擬。 接著採用 Ansys Fluent CFD 模擬來比較傳統熱交換器設計和 TPMS 熱交換器的效能。 研究顯示出令人印象深刻的結果，包括體積減少 85%、單位體積傳熱增加 11.7 倍、單位質量傳熱增加 9.4 倍。
圖：緊湊型熱交換器設計的設計驗證結果
Ansys 使用模擬工具從設計上最佳化建構過程，以評估最佳方向、客製化支撐結構設計和其他輸入等因素，以幫助降低列印效果的風險，並最大限度地縮短建構時間。 Ansys 軟體中的製程模擬還有助於預測變形、孔隙率和微觀結構等因素以及所選 EOS M290 印表機的特定製程參數。
圖：建構過程分析（左）和最終實物（右）
在製造方面，EOS 在設定列印之前進行了一些進一步的預處理，包括遠端監控以確保沒有發生問題。 第一次嘗試就獲得不錯的 3D 列印成品，兩個零件大約需要 62 小時，然後進行包括熱處理在內的後處理步驟，以創建高品質的 3D 列印零件。
熱交換器零件 CT 掃描和表面缺陷檢測
該部件由 North Star Imaging 進行 CT 掃描，建立影像資料集，匯入到 Simpleware 軟體中，以比較其設計件和製造件的效能。 Simpleware 軟體用於對 CT 數據進行分割，以識別固體和流體域，並透過目視檢查孔隙、孔洞和裂縫來進行缺陷檢測。 然後建立固體和流體區域的表面模型（STL 檔案）並與設計的 STL 重疊以進行表面偏差分析。 透過這種方法，可以直接識別因製造而產生的差異。
圖：視覺化 CT 數據
圖：在 Simpleware 軟體中對設計零件與竣工零件進行表面偏差分析
就熱交換器而言，兩個模型之間的偏差非常小，表現為熱交換器底部的一些小區域，其中印刷導致了一些倒圓和多餘的粉末。 但總體而言，列印的零件非常符合 nTopology 設計。 這種基於影像的工作流程還可以使用機器學習實現自動化，為使用者快速導入、分段和獲取關鍵測量結果，從而降低操作員間差異的風險。
有限元網格劃分與模擬
工作流程的下一步涉及查看竣工部件與設計版本相比的性能。使用 Simpleware 軟體產生多域有限元素 (FE) 網格，可直接匯入至 Ansys 軟體中。
圖：在 Simpleware 軟體中自動產生多域有限元網格
然後對 Ansys 中的模型進行大變形塑性分析，以驗證爆破壓力。 根據 Ansys 增材製造材料庫賦予材質屬性，比較 nTopology 掃描網格和原始 CAD 網格。也創建了網格子模型，在無需耗費大量計算資源的情況下進一步分析熱交換器性能。
根據模擬，製造件和設計件的性能非常相似，前一個版本的變形略有改善可能是局部加厚的結果。 為了增強對熱交換器性能的信心，Stress Engineering Services 公司進行了一系列全面的物理測試，包括環境暴露、衝擊和振動以及傳熱和壓降。 與其他熱交換器相比，TPMS 設計明顯更佳，特別是在流量方面。 此外，TPMS 模型超出了 350 psi 的爆破壓力要求 14 倍以上，表明它適合實際應用。
圖：爆破壓力測試模擬
熱交換器的全面性能測試
然後將該部件安裝到 Stress Engineering 公司的實物流動測試裝置，測量壓降和總傳熱係數。 冷熱測試流體通過熱交換器以測量熱交換器的性能。 熱成像用於可視化測試期間熱交換器中的熱量分佈。 熱流體溫度降低與熱或冷流體流量的關係的測試結果表明，熱流體溫度的降低隨著流量的增加而減小，測得的熱流體溫度的最高變化約為 50 °F，冷流體流速約為1 GPM。 3D 列印熱交換器的性能與傳統市售黃銅殼管式熱交換器進行了比較。
圖：使用熱影像資料進行傳熱流測試
在流動傳熱測試之後，熱交換器隨後進行壓力測試。 壓力逐步增加直至失效（壓力損失）。 使用先進的數位影像相關（DIC）系統來測量壓力測試期間熱交換器的變形。 DIC 系統使用光學成像來測量表面位移並計算應變。 與應變計類似，但可以測量測試物品的整個可見表面。 然後將這些應變與有限元素分析進行比較，改進分析模型。
圖：耐壓試驗和壓力失效（爆破）試驗
爆破測試後的 CT 掃描重新成像
為了建立驗證工作流程，對經過爆破測試的熱交換器原型進行了重新成像，以視覺化故障的區域。 熱交換器底部附近形成裂縫的 4 個區域與爆破測試中偵測到故障的位置相對應。 雖然熱交換器原型的性能遠遠超出了預期，但如果有提升到更高級別性能的需求，可以重新審視和加強設計的區域。
圖：視覺化爆裂測試後的熱交換器，紅色箭頭指出發生裂紋的失效位置
結果與結論
熱交換器的重新設計非常成功，利用 TPMS 提高了性能，同時減少了尺寸以解決空間限制。 與傳統設計相比，TPMS 零件顯著改進，體積減少 85%，總質量減少 81%，單位體積傳熱量增加 11.7 倍，單位質量傳熱量增加 9.4 倍，每單位體積表面積增加7.9 倍。 此外，TPMS 設計的熱側壓降減少 9.1 倍，冷側壓降增加 1.16 倍。 將具有 40 個或更多部件的熱交換器減少為僅一個部件，也代表了該項目的成功。
透過這個工作流程，每個合作夥伴都展示如何結合最新的設計、檢查、積層製造和模擬技術，重新設計和驗證關鍵零件的性能。 這種方法在降低材料成本、加快零件設計流程以及提高多個領域的效率方面具有巨大潛力。
參考資料
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