Kuidas kasutatakse täiendavalt valmistatud vorme keerukate optimeeritud PTFE-küttekehade geomeetriate loomiseks?

Tüüpiline PTFE sukelsoojendi on piiratud tavaliste ekstrudeeritud torude ja töödeldud vardadega. PTFE-d ei saa sissepritse-vormida nagu tavalist plastikut ja seetõttu ei ole olnud võimalik valmistada keerulist orgaanilise kujuga küttekeha, ei keerutatud isekeerduva ümbrise või sisemise spiraaliga voolukanaliga. See tuleb valmistada pulbri kokkupressimise ja põletamise teel nagu keraamika. Lisandite tootmine tarnib nüüd "ahju" uue põlvkonna PTFE vormide jaoks. PTFE pulbri kokkupressimiseks ja paagutamiseks väga optimeeritud, keerukateks ja mittetootmiskõlbulikeks küttekehadeks kasutatakse keerukat 3D-prinditud roostevabast terasest vormi koos konformsete kütte- ja jahutuskanalitega.

PTFE küttekeha tavapärase tootmise puudused
PTFE (polütetrafluoroetüleen) on imeline materjal sukelsoojendite jaoks. See on keemiliselt inertne, mitte-nakkuv ja elektriliselt isoleeriv. Kuid see pole traditsioonilises mõttes termoplast. PTFE-d ei saa sulatada ega surve{4}}vormida. Sulamise viskoossus on voolamiseks liiga kõrge. Selle asemel valmistatakse PTFE osad survevalu ja paagutamise teel. Protsess koosneb:

PTFE pulber valatakse metallvormi, mis tavaliselt valmistatakse madala rõhu all.

Pulbri vajutamine kõrge rõhu all (tavaliselt 50-100 MPa), et saada "toorik"

Toorik võetakse vormist välja ja paagutatakse ahjus 360–380 kraadi juures, kus osakesed sulanduvad

Ärge laske osal liiga kiiresti jahtuda, muidu see praguneb.

Ajalooliselt on see piirdunud lihtsate kujunditega: silindrid, torud, plokid ja lehed. Keerulisi omadusi, nagu kumerad sisekanalid, erineva paksusega seinad või pinnaturbulaatorid, ei saa luua, kuna toorik puruneb väljaviskamisel või pulber ei pakkiks ühtlaselt. PTFE töötlemine tahkest materjalist on võimalik, kuid tulemuseks on jäätmed ja see ei suuda tekitada suletud sisegeomeetriat. Tulemuseks on see, et PTFE-küttekehad on olnud konservatiivsed-sirgete torude, lamedate plaatide või lihtsate mähiste kujul.

Täiendavalt valmistatud vormid keerukate PTFE-küttekehade geomeetria jaoks
Vormide PTFE-soojendi geomeetria lisanditega valmistamise tehnika muudab tüüpilise mõtlemise vastupidiseks: vorm prinditakse 3D-vormingus keerukaks ja mitmekülgseks kujundiks, selle asemel, et PTFE-d otse töödelda või vormida. Seda vormi kasutatakse seejärel PTFE pulbri kokkupressimiseks ja paagutamiseks, mis annab valmis kütteseadme komponendi keerukuse.

1. toiming: metallvormi 3D-printimine (laserpulberkihiga liitmine)
Vormi valmistamisel kasutatakse laserpulberkihi sulatamist (LPBF) – metallilisandite tootmist. Alusplaadile (tavaliselt 316L roostevaba teras, Inconel või tööriistateras) kantakse õhuke kiht peent pulbermetalli. Suure-võimsusega laser sulatab pulbri valikuliselt vastavalt arvuti-disaini (CAD) mudelile. Kantakse peale teine ​​kiht ja protsessi korratakse. Vorm ehitatakse kiht kihi haaval üles.

3D-prinditud vorm ei ole lihtsalt õõnes kamber. See võib olla:

Konformaalsed jahutuskanalid – sisemised kanalid, mis järgivad vormiõõnsuse kontuuri ja võimaldavad paagutamistsükli ajal ühtlaselt kuumutada ja jahutada. Neid kanaleid ei saa kunagi tavalises vormis puurida.

Muutuva seinapaksusega: vorm võib olla paksem kõrge pingega osadel ja õhem piirkondades, kus soojusülekanne peab olema kiirem, optimeerides termilist profiili paagutamise ajal.

Pinna tekstureerimine: sisekambrisse saab trükkida mikro-ribisid, lohke või muid tekstuure, mis kanduvad üle PTFE ümbrise pinnale. Sellised tekstuurid võivad suurendada konvektiivset soojusülekannet või kutsuda esile turbulentset voolu kuumutatud vedelikus.

Aluslõiked ja üleulatuvad osad: tavapäraseid vorme ei saa avada funktsioonide tõttu, mis on saadaval 3D-prinditud vormiga, mida saab ehitada ohvri- või mitmeosalise koostuna, mis lahustatakse või demonteeritakse pärast paagutamist.

2. samm: pulbriga täitmine ja tihendamine
3D-prinditud metallvorm on täidetud kõrge -puhtusastmega PTFE pulbriga (reguleeritud osakeste suuruse jaotusega uus klass). Pulber dispergeeritakse hoolikalt, et saada homogeenne pakend, eriti keerulistes õõnsustes, kus on väikesed läbipääsud või teravad nurgad. Seejärel vorm suletakse ja rakendatakse kõrget üheteljelist või isostaatilist rõhku. Surve sunnib PTFE pulbri "roheliseks" toorikuks, jäädvustades vormiõõnsuse kõik aspektid.

Vorm on lisanditega ehitatud. See võimaldab vormi sisemise geomeetria konstrueerida tõmbenurkadega, et eemaldada toorik pärast kokkusurumist. Keerulisemate konstruktsioonide (nt sisemiste ribidega spiraaltoru) puhul võib vormi valmistada kahest või enamast blokeerivast osast, monteerida enne kokkupressimist ja eemaldada pärast paagutamist. Mõnes katseprotseduuris on vorm "ohverdatav", st metall sulatatakse pärast paagutamist keemiliselt ära, jättes alles ainult PTFE-tüki.

3. samm: kontrollitud ahjutsükliga paagutamine
Purustatud ja vormis (või paagutusseadmesse viidud) PTFE eelvorm pannakse täpse temperatuuri reguleerimisega ahju. Täieliku sulandumise saavutamine ilma vigadeta sõltub paagutamistsüklist:

Küttekaldtee. Temperatuuri tõstetakse järk-järgult kontrollitud kiirusega (tavaliselt 30–60 kraadi tunnis) 360–380 kraadini. Kuuma õli või kuuma õhu saab juhtida läbi 3D-prinditud vormi koos konformsete kanalitega, mida saab kasutada ühtlase kuumutamise saavutamiseks kogu keerulises õõnsuses.

Leotamine: PTFE-d hoitakse paagutamistemperatuuril teatud aja jooksul (2–6 tundi), et võimaldada polümeeriosakeste täielikku sulamist.

Jahutusramp: temperatuuri alandatakse aeglaselt (10-20 kraadi tunnis), et vältida termilist šokki ja pragusid. Jahutuskiirust kontrollivad järjekindlalt vormi konformsed jahutuskanalid.

3D-prinditud metallist vorm on täiuslik, üks kord-in-a-eluaegne emakas, sünnitades keeruka, valge ja keemiliselt inertse küttekeha, mida varem võis ette kujutada vaid disainer.

4. samm: hallituse eemaldamine ja viimistlemine
Pärast jahutamist eemaldatakse PTFE komponent vormist. Aluslõike või sisekujundusega vormide puhul võib vormi trükkida kaheks osaks, mis on lahti keeratud ja poolitatud. Alternatiivina lahustatakse kaitsevormide puhul metall happes (nt roostevaba terase jaoks lämmastikhape), mis ei hävita PTFE-d. Saadud PTFE-komponent on peaaegu-neto-kujuga komponent, mis nõuab välklambi või tugistruktuuride minimaalset kärpimist.

PTFE-küttekehad, mis on nüüd võimelised kasutama keerukaid geomeetrilisi kujundeid
Lisanduvate vormide disainivabadus võimaldab täiesti uusi PTFE-küttekehade konfiguratsioone:

Toimivuse kasu geomeetria/kirjeldus
Keeratud ümbris, isetõusev{0}}heeliks (keerdunud ovaalne ristlõige piki küttekeha pikkuses) Indutseerib keerise, et parandada loomulikku konvektsiooni Vähendab piirkihi paksust Parandab soojusülekandetegurit 20–40%
Sisseehitatud kanal küttekeha seina sisemises spiraaltunnelis spiraalse voolava soojus{0}}ülekandevedeliku jaoks Loob kahetoru- või mitmekäigulise soojusvaheti efekti ühes PTFE korpuses. Ideaalne viskoossete vedelike soojendamiseks.
Seina paksus (muutub) Õhemad seinad tipus (kus soojuse hajumine on väiksem) ja ääriku poole paksemad Optimeerib kuumapinge jaotumist, vähendab kaalu ja kõrvaldab kuumad kohad
Pinna turbulaatorid (ribid või lohud)Soojendi välisküljele trükitud mikro-skaala ribid soodustavad ümbritseva vedeliku turbulentset segunemist; suurendab soojusülekannet rõhulanguse vähese suurenemisega
Integreeritud kinnitusjalad/klambrid Küttekeha ümbrisel on sisseehitatud-libisemiskindlad jalad, mis tõstavad selle paagi põhjast lahti. Puuduvad eraldi PTFE-vahed, paagi põhja soojenemine puudub
Mitme-kanaliga kütteseadeÜhe PTFE ekstrusioon mitme paralleelse toruga kütteelementide jaoks Pakub sõltumatut tsoonijuhtimist kompaktse profiiliga Lihtsustab mitmetsooniliste kütteseadmete juhtmestikku{1}}
Ükski neist kujunditest ei ole saavutatav traditsioonilise survevormimise (vormi väljaviskamise piirangud) või töötlemisega (tööriistade juurdepääsupiirangud). Need piirangud eemaldatakse vormide lisandite abil.

Tehniline täpsus: peamised väljakutsed ja lahendused
PTFE mahu muutus ja kokkutõmbumine
PTFE-l on paagutamise ajal suur mahumuutus, alates rohelise tooriku tihedusest ~1,5–1,7 g/cm3 kuni täielikult paagutatud keha tiheduseni 2,1–2,2 g/cm3. See võrdub lineaarse kahanemisega 5-10%, olenevalt pulbrist ja protseduurist. Seda kokkutõmbumist tuleb 3D-prinditud vormi projekteerimisel arvestada. Hallituse õõnsust suurendatakse üldiselt eeldatava kokkutõmbumisteguri võrra (nt 1,08 korda mõlemas suunas). Kuna kokkutõmbumine ei ole täiesti isotroopne, on hallitusseente kujundamine üldiselt katsetel põhinev korduv täiustamisprotsess.

Hallituse vabanemine ja saastumine
PTFE ei haaku hästi metallidega, kuid võib mehaaniliselt lukustada sisselõigete või pinnakareduse. Enne pulbri vormiõõnsusse panemist kantakse vormiõõnsusele vormivabastusaine (nt õhuke fluoropolümeerkile või eralduspihusti). Vabastusagent peab:

talub paagutamistemperatuuri (360–380 kraadi) ilma lagunemise või gaasi väljalaskmiseta;

- Ärge saastage pooljuhtide või farmaatsiarakenduste jaoks mõeldud PTFE-d (kui ekstraheeritavaid aineid kontrollitakse)

Jahutus võimaldab sujuvat eraldamist ilma PTFE rebenemiseta

Sageli kasutatavad boornitriidil või PTFE-l põhinevad kõrgel temperatuuril{0}}eraldavad ained. Vormi saab elektropoleerida ja kasutada ilma vabastusaineta üli-puhastes rakendustes, olenevalt PTFE loomulikust -nakkumatust kvaliteedist ja detaili vabastamiseks täpselt reguleeritud jahutustsüklist.

Paagutamise tsükli ühtlus
Mida keerulisem on konstruktsioon ja mitmekesisem seinapaksus, seda tõenäolisemalt võib ebaühtlane soojenemine ja jahutamine põhjustada sisemisi pingeid, kõverusi või tühimikke. Üks peamisi eeliseid on konformsed kütte- ja jahutuskanalid, mida saab trükkida metallvormile. Neid torusid saab kasutada küttevedeliku (nt termoõli) ringlemiseks kogu paagutamistsükli jooksul, et hoida vormi kogu aeg ühtlasel temperatuuril. Ilma konformsete kanaliteta peaks vorm kasutama kiirgavat ahjukütet, mis pole keerukate geomeetriate korral tingimata{5}}ühtlane.

Staatus: prototüüp ja varajane tootmine
Lisandite tootmisel toodetud PTFE-küttekehade osade vormid on endiselt prototüüpimise ja väikeste partiide tootmisetapis. Kuigi suured PTFE tootjad ja uurimisorganisatsioonid on selle lähenemisviisi tõhususe kindlaks teinud, on selle kaubanduslik kättesaadavus piiratud. Peamised takistused on järgmised:

Kõrge valuvormi hind: 3D-prinditud metallvorm maksab 5000–5000–20 000, erinevalt mõnesajast dollarist tüüpilise töödeldud vormi eest. Suure väärtusega rakenduste (nt pooljuht- või farmaatsiaküte) puhul võivad jõudluse parandamine siiski kulutusi õigustada.

Pikk teostusaeg: 3D-prinditud metallvorm valmistatakse päevade kuni nädalate jooksul, samas kui traditsioonilist vormi saab töödelda tundidega. Lisatootmine võib ühekordsete prototüüpide jaoks sobida, kuid suure tootmise puhul võib ökonoomsus muutuda.

Protsessi valideerimine: PTFE paagutamine keerulistes vormides nõuab intensiivset testimist, et tagada korratavus, mõõtmete täpsus ning tühimike ja pragude puudumine. Iga uus geomeetria nõuab kohandatud valideerimismetoodikat.

Kuid tee on ilmne. Kuna metallilisandite tootmine muutub kiiremaks ja odavamaks ning nõudlus suure jõudlusega energiatõhusate küttekehade järele kasvab, kiireneb 3D-prinditud valuvormide kasutuselevõtt PTFE-küttekehade geomeetriate tootmiseks.

Tuleviku väljavaade: disaini optimeerimine soojusülekande ja töökindluse tagamiseks
Lisandite valmistamise vormide ülim lubadus ei ole lihtsalt võime teha keerulisi kujundeid, vaid optimeerida neid kujundeid arvutuslike projekteerimisvahendite abil kindlaksmääratud jõudlusparameetrite jaoks. Topoloogia optimeerimise tehnikad võivad välja töötada küttekeha konstruktsiooni, mis optimeerib soojusülekannet ümbritsevasse vedelikku minimaalse materjalikasutuse ja termilise pingega. Seda optimeeritud geomeetriat, mis on tavaliselt orgaaniline- ja luust-sarnane välimusega, saab kohe metallvormina printida ja seejärel PTFE-le üle kanda. Tulemuseks on keris, mis on kergem, tundlikum ja vastupidavam kui mis tahes samaväärne traditsiooniliselt ehitatud kütteseade.

Järeldus: PTFE-küttekehade disainis uus tee
Lisanditega valmistatud vormid avavad PTFE-küttekeha disainis uue keerukuse piiri, võimaldades plastikust esmakordselt vormida termiliselt optimeeritud vaba{0}}vormi. Konformsete kanalite, muutuva seinapaksusega ja keeruliste siseõõnsustega metallvormide laserpulberkihtsulatamine (LPBF) võimaldab PTFE pulbrit kokku suruda ja paagutada geomeetrilisteks kujunditeks, mida ei ole võimalik saavutada ühegi lahutava töötluse või traditsioonilise survevaluprotsessiga. Keeratud konstruktsioonid võivad nüüd pakkuda-iseegistuvaid kestasid, omaseid voolukanaleid ja pinnaturbulaatoreid. Tehnoloogia on enamasti alles prototüübi staadiumis, kuid selle disainis pakutav vabadus võib olla suure jõudlusega, spetsiaalselt valmistatud-korrosioonikindlate{7}}kuumutite uue ajastu alguseks.

Kütte tulevik ei seisne ainult uutes materjalides, vaid ka uutes vormides, mida keerukas tootmine võib vormida. PTFE-küttekehade puhul ei ole kuju enam piirang, vaid disainimuutuja, mida tuleb optimeerida. 3D-prinditud vorm on selle vabaduse avamise võti.