Kā ar piedevām ražotas veidnes tiek izmantotas, lai izveidotu sarežģītas, optimizētas PTFE sildītāja ģeometrijas?

Tipiskais PTFE iegremdējamais sildītājs ir paredzēts tikai pamata ekstrudētajām caurulēm un mehāniski apstrādātiem stieņiem. PTFE nevar formēt kā parastu plastmasu, tāpēc nav bijis iespējams izveidot sarežģītu organiskas formas sildītāju ne ar savītu-pašmaisāmu apvalku, ne iekšēju spirālveida plūsmas kanālu. Tas ir jāizgatavo, sablīvējot pulveri un apdedzinot to kā māla trauku. Piedevu ražošana tagad piegādā "krāsni" jaunas paaudzes PTFE formām. Izsmalcināta, 3D drukāta nerūsējošā tērauda veidne ar konformāliem sildīšanas un dzesēšanas kanāliem tiek izmantota, lai saspiestu un saķepinātu PTFE pulveri ļoti optimizētos, sarežģītos un neražojamos sildītāju projektos.

PTFE sildītāja tradicionālās ražošanas trūkumi
PTFE (politetrafluoretilēns) ir brīnumains materiāls iegremdējamiem sildītājiem. Tas ir ķīmiski inerts, -nepiedegošs un elektriski izolējošs. Bet tā nav termoplastiska plastmasa tradicionālajā izpratnē. PTFE nevar izkausēt un iesmidzināt-veidot. Kausējuma viskozitāte ir pārāk augsta plūsmai. Tā vietā PTFE daļas tiek izgatavotas ar presformēšanu un saķepināšanu. Process sastāv no:

PTFE pulveri ielej metāla veidnē, ko parasti sagatavo zemā spiedienā.

Pulvera presēšana augstā spiedienā (parasti 50-100 MPa), lai izveidotu "sagatavi"

Sagatavi izņem no veidnes un saķepina krāsnī 360–380 grādu temperatūrā, kur daļiņas saplūst kopā

Neļaujiet detaļai pārāk ātri atdzist, pretējā gadījumā tā saplaisās.

Vēsturiski tas aprobežojas ar vienkāršām formām: cilindriem, caurulēm, blokiem un loksnēm. Sarežģītus elementus, piemēram, izliektus iekšējos kanālus, dažādu sienu biezumu vai virsmas turbulatorus, nevar izveidot, jo sagatave, izstumjot, saplīsīs vai pulveris neiesaiņotos vienmērīgi. Ir iespējama PTFE apstrāde no cietas izejvielas, taču rezultātā rodas atkritumi un nevar izveidot iekšējas ģeometrijas, kas ir slēgtas. Rezultāts ir tāds, ka PTFE sildītāji ir bijuši konservatīvi taisnu cauruļu, plakanu plākšņu vai vienkāršu spoļu formā.

Papildu veidā ražotas veidnes sarežģītai PTFE sildītāju ģeometrijai
Piedevu ražošanas veidņu PTFE sildītāja ģeometrijas tehnika maina tipisko domāšanu: veidni 3D izdrukā sarežģītā, daudzveidīgā formā, nevis mēģina tieši apstrādāt vai formēt PTFE. Pēc tam šo veidni izmanto PTFE pulvera saspiešanai un saķepināšanai, nodrošinot gatavā sildītāja komponenta sarežģītību.

1. darbība: metāla veidņu 3D drukāšana (lāzera pulvera pamatnes saplūšana)
Veidne tiek ražota, izmantojot lāzera pulvera slāņa saplūšanu (LPBF) – metāla piedevu ražošanas veidu. Virs konstrukcijas plāksnes (parasti 316L nerūsējošais tērauds, Inconel vai instrumentu tērauds) tiek uzklāts plāns smalka pulvermetāla slānis. Lieljaudas lāzers selektīvi izkausē pulveri saskaņā ar datorizētās projektēšanas (CAD) modeli. Tiek uzklāts vēl viens slānis un process tiek atkārtots. Veidne tiek veidota slāni pa slānim.

3D drukātā veidne nav vienkārši doba kamera. Tas var būt:

Konformāli dzesēšanas kanāli – iekšējie kanāli, kas seko veidnes dobuma kontūrai un nodrošina vienmērīgu sildīšanu un dzesēšanu saķepināšanas cikla laikā. Šos kanālus nekad nevarētu urbt parastā veidnē.

Mainīgs sienas biezums: veidne var būt biezāka vietās, kur ir liela slodze, un plānāka vietās, kur siltuma pārnesei ir jābūt ātrākai, optimizējot termisko profilu saķepināšanas laikā.

Virsmas tekstūra: iekšējā kamerā var iespiest mikro-ribas, bedrītes vai citas tekstūras, kas tiks pārnestas uz PTFE apvalka virsmu. Šādas tekstūras var palielināt konvektīvo siltuma pārnesi vai izraisīt turbulentu plūsmu uzkarsētajā šķidrumā.

Iegriezumi un pārkares: parastās veidnes nevar atvērties funkciju dēļ, kas ir pieejamas 3D-drukātajai veidnei, ko var izgatavot kā upurējamu vai daudz{2}}daļiņu komplektu, ko pēc saķepināšanas izšķīdina vai demontē.

2. darbība: pulvera pildīšana un blīvēšana
3D-apdrukātā metāla veidne ir piepildīta ar augstas-tīrības pakāpes PTFE pulveri (neapstrādāta klase ar regulētu daļiņu izmēra sadalījumu). Pulveris tiek rūpīgi izkliedēts, lai iegūtu viendabīgu iepakojumu, īpaši sarežģītos dobumos ar mazām ejām vai asiem stūriem. Pēc tam veidni aizver un uzliek augstu vieniasu vai izostatisku spiedienu. Spiediens piespiež PTFE pulveri "zaļā" sagatavē, kas aptver katru veidnes dobuma aspektu.

Veidne ir veidota ar piedevām. Tas ļauj veidnes iekšējo ģeometriju konstruēt ar iegrimes leņķiem, lai pēc saspiešanas noņemtu sagatavi. Sarežģītākām konstrukcijām (piemēram, spirālveida caurule ar iekšējām spurām) veidni var izgatavot divās vai vairākās savstarpēji bloķētās daļās, samontēt pirms saspiešanas un noņemt pēc saķepināšanas. Dažās eksperimentālās procedūrās veidne ir "upurējama", ti, metāls pēc saķepināšanas tiek ķīmiski izkausēts, atstājot tikai PTFE gabalu.

3. darbība: kontrolēta krāsns cikla saķepināšana
PTFE sagatave, kas sasmalcināta un joprojām atrodas veidnē (vai pārnesta uz saķepināšanas ierīci), tiek ievietota krāsnī ar precīzu temperatūras kontroli. Pilnīgas saplūšanas iegūšana bez trūkumiem ir atkarīga no saķepināšanas cikla:

Apkures rampa. Temperatūra tiek pakāpeniski paaugstināta ar kontrolētu ātrumu (parasti 30–60 grādi stundā) līdz 360–380 grādiem. Karstu eļļu vai karsto gaisu var izlaist cauri 3D-drukātajai veidnei ar konformāliem kanāliem, ko var izmantot, lai panāktu vienmērīgu sildīšanu visā kompleksajā dobumā.

Mērcēšana: PTFE tiek uzturēts saķepināšanas temperatūrā noteiktu laiku (2–6 stundas), lai nodrošinātu pilnīgu polimēra daļiņu saplūšanu.

Dzesēšanas rampa: temperatūra tiek pazemināta lēnām (10-20 grādi stundā), lai izvairītos no termiskā trieciena un plaisāšanas. Dzesēšanas ātrumu konsekventi kontrolē veidnes konformālie dzesēšanas kanāli.

3D-apdrukātā metāla veidne ir ideāla vienreiz--dzemdē-, kas rada sarežģītu, baltu un ķīmiski inertu sildītāja formu, ko iepriekš varēja iedomāties tikai dizainera prātā.

4. solis: pelējuma noņemšana un apdare
Pēc atdzesēšanas PTFE komponents tiek izņemts no veidnes. Veidnēm ar iegriezumiem vai iekšējām iezīmēm veidni var iespiest divās daļās, kuras ir atskrūvētas un sadalītas. Alternatīvi, veidnēm, kas paredzētas veidnēm, metālu izšķīdina skābē (piemēram, slāpekļskābē nerūsējošajam tēraudam), kas neiznīcina PTFE. Rezultātā iegūtais PTFE komponents ir gandrīz -neto-formas komponents, kam nepieciešama tikai minimāla zibspuldzes vai atbalsta konstrukciju apgriešana.

PTFE sildītāji tagad spēj izmantot sarežģītas ģeometrijas
Papildu veidā izgatavoto veidņu dizaina brīvība nodrošina pilnīgi jaunas PTFE sildītāju konfigurāciju klases:

Veiktspējas ieguvumu ģeometrija/apraksts
Vīts apvalks, paš-paceļošs spirāle (savīts ovāls šķērsgriezums visā sildītāja garumā) Izraisa virpuļu kustību, lai uzlabotu dabisko konvekciju Samazina robežslāņa biezumu Uzlabo siltuma pārneses koeficientu par 20–40%
Integrēts kanāls spirālveida plūsmas siltuma-pārvades šķidrumam sildītāja sienas iekšējā spirālveida tunelī Rada dubultcaurules vai vairāku -pāreju siltummaiņa efektu vienā PTFE korpusā. Ideāli piemērots viskozu šķidrumu sildīšanai.
Sienas biezums (atšķiras) Plānākas sienas galā (kur siltuma izkliede ir mazāka) un biezāka pret atloku Optimizē siltuma sprieguma sadalījumu, samazina svaru un novērš karstos punktus
Virsmas turbulatori (ribas vai bedrītes)Mikro{0}}mēroga ribiņas, kas uzdrukātas uz sildītāju ārpuses, veicina apkārtējā šķidruma turbulentu sajaukšanos; uzlabo siltuma pārnesi, nedaudz palielinot spiediena kritumu
Integrētas stiprinājuma pēdas/kronšteini Sildītāja apvalkam ir iebūvētas neslīdošas pēdas, kas to paceļ no tvertnes apakšas. Nav atsevišķu PTFE atdalījumu, nav tvertnes dibena sasilšanas.
Daudzkanālu sildītājsViena PTFE ekstrūzija ar vairākām paralēlām caurulēm sildelementiem Nodrošina neatkarīgu zonu vadību kompaktā profilā Vienkāršo elektroinstalāciju vairāku-zonu sildītājiem
Nevienu no šīm formām nevar sasniegt, izmantojot tradicionālo presformēšanu (veidnes izmešanas ierobežojumi) vai apstrādi (instrumentu piekļuves ierobežojumi). Šīs robežas tiek atceltas, izmantojot veidņu ražošanu ar piedevām.

Tehniskā precizitāte: galvenie izaicinājumi un risinājumi
PTFE tilpuma izmaiņas un saraušanās
PTFE saķepināšanas laikā ir lielas tilpuma izmaiņas, sākot no zaļās sagataves blīvuma ~ 1,5–1,7 g/cm3 līdz pilnībā saķepināta ķermeņa blīvumam 2,1–2,2 g/cm3. Tas atbilst lineārai saraušanās 5-10% apmērā atkarībā no pulvera un procedūras. Šī saraušanās ir jāņem vērā, izstrādājot 3D drukāto veidni. Pelējuma dobumu parasti palielina paredzamais saraušanās koeficients (piemēram, 1,08x katrā virzienā). Tā kā saraušanās nav pilnībā izotropiska, veidņu dizains parasti ir iteratīvs pilnveidošanas process, kura pamatā ir testa braucieni.

Pelējuma izdalīšanās un piesārņojums
PTFE slikti sasaistās ar metāliem, bet var mehāniski bloķēt iegriezumus vai virsmas raupjumu. Pirms pulvera ievietošanas veidnes dobumā, veidnes dobumā tiek uzklāts veidnes atbrīvošanas līdzeklis (piemēram, plāna fluorpolimēra plēve vai aerosols). Atbrīvošanas aģents:

Izdzīvo saķepināšanas temperatūru (360–380 grādi) bez sadalīšanās vai gāzu izdalīšanās;

- Nepiesārņojiet PTFE pusvadītāju vai farmācijas lietojumiem (kur tiek pārbaudīti ekstrahējamie materiāli)

Dzesēšana nodrošina vienmērīgu atdalīšanu bez PTFE plīsuma

Bieži lietotas augstas temperatūras{0}}izdalīšanas vielas, kuru pamatā ir bora nitrīds vai PTFE. Veidni var elektropulēt un izmantot bez atdalīšanas līdzekļa īpaši-tīros lietojumos atkarībā no PTFE dabiskās nepiedegošās kvalitātes un precīzi regulēta dzesēšanas cikla daļas atbrīvošanai.

Saķepināšanas cikla vienveidība
Jo sarežģītāks ir dizains un daudzveidīgāks sienas biezums, jo lielāka iespēja, ka nevienmērīga apkure un dzesēšana var izraisīt iekšēju spriedzi, deformāciju vai tukšumus. Viena no galvenajām priekšrocībām ir konformālie apkures un dzesēšanas kanāli, kurus var uzdrukāt uz metāla veidnes. Šīs caurules var izmantot, lai cirkulētu sildīšanas šķidrumu (piemēram, termālo eļļu) visā saķepināšanas ciklā, lai saglabātu veidnes nemainīgu temperatūru visā laikā. Ja nebūtu konformālu kanālu, veidnei būtu jāizmanto starojuma krāsns karsēšana, kas sarežģītu ģeometriju gadījumā noteikti ir neviendabīga.

Statuss: prototips un agrīna ražošana
PTFE sildītāju detaļu veidnes, kas ražotas ar piedevu ražošanu, joprojām atrodas prototipēšanas un mazu partiju ražošanas stadijā. Lai gan lielākie PTFE ražotāji un pētniecības organizācijas ir pierādījušas šīs pieejas efektivitāti, komerciālā pieejamība ir ierobežota. Galvenie šķēršļi ir:

Augstas veidņu izmaksas: 3D drukāta metāla veidne maksā 5000–5000–20 000 pretstatā dažiem simtiem dolāru par tipisku mehāniski apstrādātu veidni. Tomēr augstvērtīgiem lietojumiem (piemēram, pusvadītāju vai farmaceitiskā apkure) veiktspējas uzlabojumi var attaisnot izdevumus.

Ilgs izpildes laiks: 3D drukātā metāla veidne tiek izgatavota dienās vai nedēļās, savukārt tradicionālās veidnes var apstrādāt stundās. Papildu ražošana var būt piemērota vienreizējiem prototipiem, taču lielas ražošanas gadījumā ekonomika var mainīties.

Procesa apstiprināšana: PTFE saķepināšanai sarežģītās veidnēs ir nepieciešama intensīva pārbaude, lai garantētu atkārtojamību, izmēru precizitāti un tukšumu vai plaisu neesamību. Katrai jaunai ģeometrijai ir nepieciešama pielāgota validācijas metodika.

Bet ceļš ir skaidrs. Tā kā metāla piedevu ražošana kļūst ātrāka un lētāka, kā arī pieaug pieprasījums pēc augstas veiktspējas energoefektīviem sildītājiem, 3D drukāto veidņu pieņemšana PTFE sildītāju ģeometriju ražošanā paātrinās.

Nākotnes perspektīva: dizaina optimizācija siltuma pārnesei un uzticamībai
Piedevu ražošanas veidņu galvenais solījums ir ne tikai spēja izveidot sarežģītas formas, bet arī optimizēt šīs formas noteiktiem veiktspējas parametriem, izmantojot skaitļošanas projektēšanas rīkus. Topoloģijas optimizācijas metodes var izstrādāt sildītāja apvalka dizainu, kas optimizē siltuma pārnesi uz apkārtējo šķidrumu ar minimālu materiāla izmantošanu un termisko spriegumu. Šo optimizēto ģeometriju, kas parasti ir organiska- un kauls-, var nekavējoties izdrukāt kā metāla veidni un pēc tam pārnest uz PTFE. Rezultāts ir sildītājs, kas ir vieglāks, atsaucīgāks un izturīgāks nekā jebkurš līdzvērtīgs tradicionāli būvēts sildītājs.

Secinājums: PTFE sildītāju dizains ir jauns
Ar piedevām izgatavotas veidnes paver jaunu sarežģītības robežu PTFE sildītāju dizainā, ļaujot plastmasai pirmo reizi izveidot termiski optimizētu, brīvas formas formu. Metāla veidņu lāzera pulvera slāņa saplūšana (LPBF) ar konformāliem kanāliem, mainīgu sieniņu biezumu un sarežģītiem iekšējiem dobumiem ļauj saspiest un saķepināt PTFE pulveri tādās ģeometrijās, kuras nav iespējams panākt ar atņemšanas apstrādi vai tradicionālo presēšanas formēšanas procesu. Vīti dizaini tagad var nodrošināt paš-pašmaisītos apvalkus, raksturīgos plūsmas kanālus un virsmas turbulatorus. Tehnoloģija joprojām lielākoties ir prototipa stadijā, taču brīvība, ko tā sniedz projektēšanā, varētu būt jaunas augstas veiktspējas, īpaši pielāgotu-korozijizturīgu- sildītāju ēras sākums.

Apkures nākotne ir saistīta ne tikai ar jauniem materiāliem, bet arī ar jaunām formām, kuras var veidot sarežģīta ražošana. PTFE sildītājiem forma vairs nav ierobežojums, bet gan optimizējams dizaina mainīgais. 3D drukātā veidne ir atslēga šīs brīvības atrašanai.