更好的散热性能、更长飞行距离,3D打印点阵结构赋能无人机发动机气缸制造

3D打印技术能够实现复杂的点阵结构,由于点阵结构的存在从而保持了广泛的热交换表面,可以获得较高的散热表面/体积比。

根据3D科学谷的市场观察,在国际上已有增材制造换热器制造商开发,正在进行点阵结构散热系统的商业化,其中包括HiETA Technologies与Delta Motorsport合作设计和制造、用于微型燃气涡轮系统的并流换热器,以及本文所提及的Conflux 新一代高效热交换器。

本期, 3D科学谷将分享一个3D打印点阵散热结构在无人机发动机气缸制造中的应用案例,制造商实现了发动机热交换性能的提升与更为轻量化的设计,此外,点阵式热交换结构所需的打印后处理工作量显著减少。

White paper_heat exchanger_23《3D打印与换热器及散热器应用2.0》

block 更好的冷却更轻量化的设计

无人机、摩托车发动机制造商Cobra Aero 是一家快速发展的企业,每年设计和制造约2,000台小型发动机。Cobra一直在发动机设计中探索面向增材制造的设计以及增材制造技术的应用,希望加快产品设计迭代,并探索实现发动机轻量化以及更节省制造材料的方法。

Video_Cover_Cobra_Renishaw来源:雷尼绍

Cobra 在过去一年半的时间中与增材制造设备制造商雷尼绍(Renishaw)及增材制造软件公司nTopology合作,开展了多个发动机增材制造研发项目。

Cobra_exchanger最左边为集成点阵散热结构的3D打印风冷气缸,最右边是一台A33N测试发动机,其顶部装有3D打印风冷气缸。来源:Cobra Aero

其中一项新的合作成果是A33N无人机发动机,这是一款带有风冷式气缸的发动机,其气缸中集成了3D打印点阵结构。此前,Cobra 带有翅片式式热交换结构的气缸产品已经商业化。与翅片式设计相比,带3D打印点阵结构的气缸是面向增材制造的新一代设计,与上一代产品相比,在以下两个方面得到了优化:在热交换性能,发动机紧凑性、轻量化方面得到了提升,这些提升将有助于延长无人机飞行时间;3D打印点阵结构所需的后处理工作量减少。

Cobra测试结果显示,这款发动机散热性能优于Cobra当前的主力翅片式设计。3D打印风冷气缸采用nTopology软件设计,制造设备为雷尼绍四激光器设备RenAM 500Q。

Cobra_Drawing3D打印点阵结构比翅片式设计具有更好的冷却效果。来源:Cobra Aero

3D打印风冷气缸得益于内部集成的点阵热交换结构,该设计比翅片式散热结构更有效,在每一个不同的转速中需要的冷却空气比上一代设计更少,但仍可维持适当的发动机温度。

Cobra_nTop通过nTop Platform对发动机汽缸模型进行探索和评估。来源:Cobra Aero

通过集成3D打印点阵结构,Cobra 可以为冷却管提供一个较小的进气口,从而使无人机的正面区域更小,在相同的冷却量下,无人机受到的阻力减少。

此外,Cobra 发现3D打印点阵结构可以减轻气缸重量。任何额外的重量都会给无人机有效载荷、飞行距离和性能带来不利影响,冷却管道上的压力下降量与机身上的阻力大小直接相关, Cobra 的设计团队需要找到一个能够从气缸中吸收足够热量的最佳位置,但是不会因此而在整个结构上增加大量阻力,在这种情况下,无人机可以更长,更有效地飞行。

此外,点阵结构是一种自支撑的结构,在3D打印的过程中不需要添加支撑结构。而上一代翅片式设计在打印时需要添加很多支撑结构,在打印完成后需要大量后处理工作,手动移除这些支撑结构。

更多的散热器、热交换器领域的3D打印应用,请前往《3D打印与换热器及散热器应用2.0》白皮书。

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