L'application en vedette :l'impression 3D pour les échangeurs de chaleur

[Crédit image :Technologie Conflux]

La gamme d'applications industrielles pour l'impression 3D se développe à pas de géant.

Cependant, malgré cette croissance, il reste de nombreuses lacunes dans la compréhension des véritables capacités de l'impression 3D. À l'appui de ce fait, le dernier rapport de l'AMFG sur l'état de l'industrie de l'impression 3D 2019, qui a révélé que le manque de connaissances sur l'impression 3D reste l'un des plus grands défis pour les fournisseurs de services d'impression 3D aujourd'hui.

Pour faire la lumière sur l'utilisation actuelle de l'impression 3D dans les applications industrielles, nous lançons une série hebdomadaire Application Spotlight. Dans la série, nous examinerons l'utilisation de l'impression 3D pour une application particulière et nous plongerons dans les principaux avantages et exemples.

Ouverture de notre série cette semaine est l'impression 3D pour les échangeurs de chaleur. La technologie offre un certain nombre d'avantages aux fabricants qui cherchent à optimiser la conception des échangeurs de chaleur. Parmi eux figurent un poids plus léger, une taille plus petite et des performances supérieures.

Mais avant d'explorer les avantages plus en détail, examinons d'abord ce qu'est un échangeur de chaleur et pourquoi cette application convient parfaitement à l'impression 3D.

Jetez un œil aux autres applications couvertes dans cette série : 

Impression 3D pour roulements   

Impression 3D pour la fabrication de vélos  

Impression 3D pour la dentisterie numérique et la fabrication d'aligneurs transparents

Impression 3D pour implants médicaux

Les fusées imprimées en 3D et l'avenir de la fabrication d'engins spatiaux  

Impression 3D pour la fabrication de chaussures 

Impression 3D pour composants électroniques 

Impression 3D dans l'industrie ferroviaire  

Lunettes imprimées en 3D

Impression 3D pour la production de pièces finies

Impression 3D pour supports

Impression 3D pour pièces de turbine

Comment l'impression 3D permet des composants hydrauliques plus performants

Comment l'impression 3D soutient l'innovation dans l'industrie de l'énergie nucléaire

Qu'est-ce qu'un échangeur de chaleur ?

Un échangeur de chaleur est utilisé pour la régulation de la température et est l'une des pièces les plus cruciales de l'équipement industriel. Les échangeurs de chaleur permettent à la chaleur d'un fluide de passer à un autre fluide dans le but principal de chauffer les éléments ou de les refroidir.

Dans le secteur industriel, la fonction de refroidissement est plus fréquemment utilisée pour éviter la surchauffe des équipements. .

Les échangeurs de chaleur ont une très large gamme d'applications. Les moteurs des voitures, des navires et des avions utilisent tous des échangeurs de chaleur pour fonctionner plus efficacement. Les composants des systèmes de climatisation et de refroidissement, comme les réfrigérateurs, nécessitent également des échangeurs de chaleur.

En raison de la polyvalence des applications, les conceptions des échangeurs de chaleur peuvent varier considérablement. La majorité des échangeurs de chaleur fabriqués de manière conventionnelle présentent une conception à serpentin ou à plaque.

Dans leur forme la plus simple, les échangeurs de chaleur à serpentin utilisent un ou plusieurs tubes en serpentin, séparant deux fluides :un qui s'écoule à l'intérieur du tube et un autre qui s'écoule à l'extérieur.

Les échangeurs de chaleur à plaques utilisent de fines plaques de métal pour séparer les deux fluides. Les fluides circulent généralement dans des directions opposées pour améliorer le transfert de chaleur.

Pourquoi l'impression 3D convient-elle aux échangeurs de chaleur ?

Produire des échangeurs de chaleur à l'aide de techniques conventionnelles est souvent une tâche complexe et chronophage, nécessitant plusieurs étapes comme le formage et le soudage.

De plus, il existe une demande croissante pour rendre les échangeurs de chaleur plus compacts et efficaces afin d'améliorer les exigences de performance sans cesse croissantes. Et pourtant, les capacités des techniques de fabrication actuelles s'avèrent souvent inefficaces pour répondre à cette demande. En conséquence, les fabricants doivent souvent faire des compromis entre la complexité de la conception, le coût et le délai.

Pour surmonter ces limitations et permettre de nouvelles conceptions d'échangeurs de chaleur, les entreprises commencent à étudier les capacités de l'impression 3D.

Comment les échangeurs de chaleur peuvent-ils bénéficier de l'impression 3D ?

Augmentation des performances grâce à des géométries plus complexes

L'impression 3D est connue pour sa capacité à donner vie à des formes complexes. Lors de la conception des échangeurs de chaleur, cet avantage peut être utilisé pour créer des parois aussi minces que 200 microns et de petits canaux d'écoulement complexes à l'intérieur du composant.

Cela signifie que les ingénieurs peuvent concevoir un échangeur de chaleur avec une plus grande surface de transfert de chaleur à l'intérieur. Plus la surface est grande, plus la chaleur peut être évacuée, ce qui augmente les performances d'un échangeur de chaleur.

Poids et taille réduits

La majorité des échangeurs de chaleur actuels ont des conceptions rectilignes, rectangulaires ou tubulaires. En raison de leur forme unique, l'installation de ces échangeurs de chaleur dans un appareil peut être difficile. L'impression 3D, d'autre part, permet aux ingénieurs de rendre l'appareil plus léger et plus petit, mais avec des performances identiques voire meilleures 

De nouvelles formes et fonctionnalités internes rendues possibles par l'impression 3D facilitent la miniaturisation des échangeurs de chaleur . En conséquence, les échangeurs de chaleur imprimés en 3D ont une forme beaucoup plus compacte qui s'adapte aux besoins d'espace restreint.

Production simplifiée

Traditionnellement, la production d'échangeurs de chaleur implique plusieurs étapes, notamment le formage, le brasage et le soudage. Cependant, ces étapes sont coûteuses et chronophages.

Lors de l'utilisation de l'impression 3D pour produire directement un échangeur de chaleur, toutes ces opérations peuvent être supprimées, rationalisant ainsi le processus de production.

Meilleure qualité

De plus, un échangeur de chaleur imprimé en 3D est construit en une seule opération afin qu'il n'y ait pas de coutures ou de joints qui pourraient développer des fuites. En raison d'une production plus simple, la variabilité du processus est plus faible et la qualité globale devrait être beaucoup plus élevée.

Exemples d'échangeurs de chaleur imprimés en 3D

Les industries de l'aérospatiale, du sport automobile et de l'énergie sont actuellement à la pointe du développement d'échangeurs de chaleur imprimés en 3D.

Conflux Core :une nouvelle référence pour les échangeurs de chaleur

Conflux Technology est une société australienne spécialisée dans l'impression 3D métal de composants thermiques et fluides. Ces composants sont utilisés dans des industries telles que l'automobile, le sport automobile et l'aérospatiale.

En exploitant l'impression 3D, Conflux a développé et breveté une conception unique d'échangeur de chaleur appelée Conflux Core.

L'utilisation de l'impression 3D a permis la création de géométries très complexes à l'intérieur du composant Conflux Core, augmentant sa surface. Cela a permis de tripler le rejet de chaleur thermique. Le nouveau design, comparé à une référence de Formule 1, s'est avéré être 22 % plus léger et 55 mm plus petit.

De plus, l'impression 3D a permis un processus de développement extrêmement rapide, qui n'a pris que six mois.

Enfin, grâce à la flexibilité de conception de l'impression 3D, l'équipe Conflux a pu consolider les sous-composants en une seule pièce. En plus d'une conception simplifiée, une pièce consolidée nécessite également moins de matière pour la production, ce qui réduit potentiellement les dépenses de matière. Pour les fabricants utilisant le Conflux Core, la consolidation des pièces pourrait se traduire par un temps d'assemblage réduit et moins de points de défaillance des joints et des coutures.

Échangeur de chaleur inspiré des poumons de GE

GE Research développe un échangeur de chaleur avec une température de fonctionnement et une efficacité thermique accrues pour les équipements de production d'électricité. Étonnamment, pour y parvenir, l'équipe a proposé un design innovant inspiré des poumons humains.

L'échangeur de chaleur GE est doté d'un réseau trifurqué de canaux, qui prend l'air chaud sortant d'une turbine à gaz. Ce réseau est entrelacé avec un autre réseau de canaux remplis de fluide de travail plus froid, circulant en sens inverse. L'air chaud et le fluide froid ne se mélangent pas, mais leur proximité permet un échange de chaleur efficace.

Ce nouveau type d'échangeur de chaleur pourrait aider les centrales électriques à supporter des températures de 1 650 degrés F (871°) C). C'est plus de 450 degrés F (232 ° C) de plus que les échangeurs de chaleur actuels.

L'équipe a découvert que la seule technologie capable de produire un tel design était l'impression 3D.

L'échangeur de chaleur imprimé en 3D sera fabriqué à l'aide d'un superalliage de nickel unique, résistant aux hautes températures et résistant aux fissures, développé par GE Research spécifiquement pour cette technologie.

La combinaison de la liberté de conception offerte par l'impression 3D et la résistance d'un superalliage sont réglés pour permettre un changement radical des performances de l'échangeur de chaleur.

Utiliser une technologie de pointe pour répondre aux exigences avancées 

Les échangeurs de chaleur sont une excellente application pour l'impression 3D. La technologie offre une flexibilité de conception significative, permettant des formes plus compactes et des performances plus élevées.

Grâce à ses capacités uniques, l'impression 3D pourrait devenir une technologie clé pour la fabrication d'échangeurs de chaleur. Avec une technologie embarquée aussi flexible, les fabricants d'échangeurs de chaleur seront en mesure de répondre de front aux nouvelles exigences de taille et de performances.

Dans notre prochain article, nous examinerons l'impression 3D pour les roulements. . Restez à l'écoute !